O atrito como força, a Força Resultante e a - sergio-talim

COLÉGIO TÉCNICO
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O atrito como força, a Força Resultante e a aceleração
Introdução:
Nesta atividade, vamos utilizar o aplicativo Forças em Uma Dimensão, que está disponível no link
http://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/forces-1d. Note, no aplicativo, a presença de um piso horizontal sobre o qual aparece
um boneco, um armário (ou gabinete) de arquivos, uma linha de referência para medidas de posição e algumas imagens
decorativas (árvore e casa). Note, ainda, a presença de uma barra lateral direita na qual aparece uma série de opções. Na parte
superior dessa barra lateral é possível observar duas forças verticais representadas em um diagrama de corpo livre. A força FG
corresponde à força gravitacional ou força peso que o planeta Terra exerce sobre o objeto situado no piso horizontal. A força FN
corresponde à chamada força de reação normal, que é exercida pelo piso horizontal sobre o objeto. O termo normal, nesse caso,
tem um significado matemático, nada relacionado com os sentidos que a palavra normal tem no dia a dia (algo comum, habitual,
natural, etc.). Na Matemática e na Física, a palavra normal significa perpendicular. Assim, o termo normal, no contexto da
expressão força de reação normal, indica que esse tipo de força é sempre perpendicular à superfície de contato entre um dado
corpo e o piso sobre o qual ele se encontra. Por sua vez, o termo força de reação indica que essa mesma força é provocada por
outras forças que comprimem o objeto sobre o piso. No caso de um piso horizontal, uma das forças responsáveis por essa
compressão é a própria força de atração gravitacional. Assim, por causa da força gravitacional, o objeto comprime o piso sobre
o qual ele foi colocado e, por essa razão, o piso “reage” e exerce uma força normal sobre o objeto.
No diagrama de corpo livre, situado no canto superior direito da janela do aplicativo, encontramos uma representação das forças
FG e FN além das opções Mostrar forças horizontais e Mostrar força resultante. Na atividade que você fará a seguir, essas
opções devem permanecer marcadas. Mais abaixo dessa região, você encontrará a opção Atrito Ativado que permite considerar
ou ignorar a fricção entre a superfície inferior do objeto e o piso sobre o qual ele foi colocado. Manter o atrito ativado é uma
situação mais realística, mas você também poderá investigar o que ocorreria em uma situação mais idealizada ou tecnicamente
difícil de executar e na qual o atrito pode ser desprezado.
Clicando com o botão esquerdo do mouse sobre o objeto situado sobre o piso horizontal, nós podemos arrastar esse objeto.
Fazendo isso, surge na tela um vetor azul que representa a força de valor variável que nós estamos “aplicando” sobre o objeto.
Quando a opção Atrito Ativado está marcada, também aparece um vetor vermelho que representa a força de atrito que o piso
horizontal exerce sobre o objeto.
Se você decidir simular a aplicação de forças sobre o objeto ao arrastá-lo com o mouse será praticamente impossível produzir
uma situação na qual a força aplicada tem intensidade constante. Para aplicar uma força de intensidade constante, você precisa
digitar um valor numérico dentro da caixa Força aplicada (procure por uma caixa branca no lado esquerdo da janela aberta pelo
aplicativo). Depois de digitar um valor para a força aplicada e apertar a tecla Enter, você verá surgir os vetores que representam
a(s) força(s) exercidas sobre o objeto. Para verificar se a(s) força(s) produzirá(ão) algum efeito sobre o estado de movimento do
objeto é preciso clicar no botão Ir situado abaixo da caixa Força aplicada.
Se a opção Atrito Ativado estiver marcada, pode ser que nada aconteça, depois que você simule a aplicação de uma força sobre
o objeto. Nesse caso, o aplicativo estará lhe dizendo que não é possível retirar o objeto do repouso com a intensidade de força
que você decidiu aplicar ou, em outras palavras, que o atrito impediu que o objeto saísse do estado de repouso.
Se você verificar que a força aplicada teve algum efeito sobre o movimento, você poderá apertar o botão Pausar para interromper
a simulação. Note que há um botão Pausar logo abaixo do botão Ir, mas que também há um segundo botão Pausar na parte
inferior da janela aberta pelo aplicativo, na qual também aparecem os botões Executar e Rebobinar.
O acionamento do botão Rebobinar equivale a “voltar o filme” que foi gravado pelo aplicativo, desde o instante no qual a força
aplicada começou a atuar sobre o objeto. O botão Executar, por sua vez, reproduz esse “filme”. Ao executar ou rebobinar o
“filme” para assistir a simulação mais de uma vez, você pode optar por exibir quatro tipos de gráfico. Para isso, basta dar um
clique nos grandes botões retangulares Gráfico Força aplicada; Gráfico Aceleração; Gráfico Velocidade; Gráfico Posição.
Utilize esses gráficos para obter uma descrição mais precisa de cada situação investigada com a ajuda do aplicativo. Se quiser
impedir que muitos gráficos sejam exibidos ao mesmo tempo, basta clicar em um grande X vermelho situado no canto superior
de cada gráfico. Para analisar uma nova situação, você deverá limpar a memória do aplicativo antes de voltar a utilizá-lo. Para
isso, basta usar o botão retangular Limpar, situado abaixo dos botões Ir e Pausar.
Exploração 1: Força de atrito estático e força de atrito estático máxima
Partindo da configuração Atrito Ativado, podemos aplicar forças cada vez maiores sobre o
objeto selecionado. Acione a opção Gráfico Força aplicada e experimente usar forças de
intensidade progressivamente maiores sobre o objeto. Observe os vetores que representam
as forças e compare-os com as informações apresentadas no Gráfico Força aplicada. Para
interpretar o que você irá observar é importante saber que, nas situações nas quais um objeto
permanece em repouso, apesar da presença de uma força que tenta colocá-lo em movimento,
existe outra força que atua no sentido contrário e que recebe no nome tipo Força de Atrito
Estático. A força possui um valor variável, mas há um valor máximo que ela pode atingir,
em cada situação.
A imagem ao lado do parágrafo anterior sugere que o “encaixe” entre as reentrâncias e saliências existentes nas superfícies do
objeto e do piso sobre o qual ele se apoia constituem uma das principais causas do atrito, denominada Fricção. A segunda causa
do atrito é a aderência entre as superfícies em contato. Quando a força de atrito estático é superada e os objetos em contato
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adquirem movimento, um em relação ao outro, a força de atrito passa a exibir novas características. Essa força, então, recebe
uma nova denominação passando a ser chamada de Força de Atrito Cinético. Ao responder as questões a seguir você poderá
compreender melhor as características acima atribuídas à força de atrito.
1. A intensidade da força aplicada é maior, menor ou igual à intensidade da força de atrito estático, no intervalo em que
aumentamos a força aplicada, mas o objeto ainda permanece em repouso?
2. Varie, progressivamente, o valor da força aplicada ao objeto até encontrar uma situação na qual o objeto saía do repouso.
Observe os registros do processo por meio do Gráfico Força aplicada. Guarde o gráfico que você acabou de produzir ao
utilizar uma das seguintes operações: 1º- apertar a tecla Print Scream (PrtScr no teclado); 2º- utilizar algum aplicativo de
captura de tela previamente instado no computador. Feita a captura, você deve colar o gráfico capturado em um arquivo de
texto, pois você precisará comparar o gráfico que acabou de produzir com outros gráficos produzidos nos itens seguintes
desta atividade. Ao observar o gráfico que você acaba de inserir no arquivo de texto, responda: (i) a força de atrito estático
possui um valor máximo na situação que você está explorando? (ii) que valor é esse? (iii) que diferença existe entre os
valores da Força de Atrito Estático Máxima e da Força de Atrito Cinético?
3. Modifique as configurações do aplicativo para responder à seguinte questão: o valor da Força de Atrito Estático Máxima
está relacionado ao peso do corpo? Utilize novos gráficos para responder essa questão e grave esses gráficos no arquivo de
texto que você criou no item anterior desta exploração. A partir dos vários gráficos, descreva que relação parece existir entre
o peso do corpo e o valor da Força de Atrito Estático Máxima.
Exploração 2: Força resultante e aceleração
Quando inserimos na caixa Força aplicada, um valor de força constante e superior à intensidade da força de atrito estática
máxima, vemos surgir um vetor verde que representa a força resultante aplicada sobre o objeto. Em uma situação na qual um
objeto fica sujeito a duas forças de mesma direção e de sentidos contrários, a força resultante possui o sentido da força de maior
intensidade. Já a intensidade da força resultante pode ser obtida pela operação “Força maior – Força menor = Força resultante”.
1. Produzindo uma força resultante sobre o objeto situado no piso da simulação, a aceleração exibida pelo objeto será
constante? E sua velocidade? Responda essas perguntas mediante a observação dos gráficos Força Aplicada, Aceleração e
Velocidade versus tempo. Capture e insira esses gráficos em um arquivo de texto, para ter um registro mais elaborado do
estudo que estamos realizando acerca dos efeitos das forças sobre os movimentos.
2. Para um mesmo corpo, a alteração da intensidade da força resultante produz alguma modificação no valor da aceleração?
Experimente e verifique, lembrando-se de registrar os novos módulos da força resultante. Depois, mais uma vez, capture e
insira, em um arquivo de texto, os gráficos Força Aplicada, Aceleração e Velocidade versus tempo.
Exploração 3: Força aplicada, força resultante e aceleração com ou sem o atrito
Partindo da configuração Atrito Desativado, experimente aplicar valores de força constantes e iguais àqueles que você acabou
de utilizar na exploração 2.
1. Compare a força aplicada com a força resultante agora que o atrito está desativado. A força aplicada e a força resultante
também coincidiam na exploração 2, quando lidamos com a configuração Atrito Ativado? Explique.
2. Na situação sem atrito, existe um valor mínimo para que a força aplicada possa dar início ao movimento do objeto? Explique.
3. Na situação sem atrito, as acelerações obtidas são maiores do que no caso em que o corpo estava submetido à ação do atrito?
Mais uma vez, observe os gráficos produzidos pelo aplicativo e insira-os no arquivo de texto para compará-los aos obtidos
na exploração 2.
Exploração 4: Força resultante, massa e aceleração
Quando abrimos o aplicativo, o objeto que aparece sobre o piso horizontal é um armário de arquivos. Contudo, é possível colocar
outros objetos sobre o mesmo piso. Os diversos objetos disponíveis apresentam diferenças significativas em termos de massa. A
massa é uma variável importante, quando se considera o efeito das forças sobre os movimentos. Nesta exploração, pretendemos
que você identifique a influência da massa sobre a aceleração provocada por uma força constante que é aplicada a um objeto
situado sobre uma superfície sem atrito. Para isso responda: para um mesmo valor de força resultante, a massa do corpo influencia
no valor da aceleração? Experimente e verifique. Observe os gráficos produzidos pelo aplicativo e insira-os no mesmo arquivo
de texto que tem sido utilizado desde a Exploração 1. Feito isso, descreva a influência da massa de um corpo sobre a aceleração
que ele irá apresentar, ao ser submetido a uma força resultante de intensidade constante.
Exploração 5: Forças de valor variável ou que atuam em um curto intervalo de tempo
Nós podemos aplicar forças de valor variável no objeto situado sobre o piso horizontal ao usar o mouse para arrastar o objeto.
Fazendo isso, a intensidade da força aplicada irá variar ao longo do tempo. Além disso, torna-se possível exercer forças sobre o
objeto durante curtos intervalos de tempo. Descreva as características do movimento exibido pelo corpo quando o atrito está
ativado e a força aplicada supera a força de atrito estático máxima por um breve intervalo de tempo. Utilize os gráficos
produzidos pelo aplicativo para fazer essa descrição. Faça o mesmo para a situação em que o atrito está desativado. Por fim, para
forças aplicadas durante um curto intervalo de tempo, compare os gráficos força versus tempo, aceleração versus tempo e
velocidade versus tempo nas situações em que o atrito está ativado e desativado.