Laboratório de Física

Experimento 03 - Trilho de Ar

Disciplina: Laboratório de Física Experimental I

Professor: ______________________________________ Turma: _____ Data: ___/___/20___

Alunos:

1: _____________________________________________________________________________

2: _____________________________________________________________________________

3: _____________________________________________________________________________

4: _____________________________________________________________________________

5: _____________________________________________________________________________

Laboratório de Física – UVV

03 - Trilho de Ar - Movimento a Força Constante

1.1. Objetivos:● Determinar a aceleração de um corpo sob a ação de uma força constante;

1.2. Material:✔ Cronômetro digital EQ228A;

✔ Trilho de Ar com Unidade Geradora de Fluxo de Ar;

✔ Carro;

✔ Conjunto de 2 discos pequenos, 4 discos grandes e 1 suporte.

1.3. Cuidados com o equipamentoAntes de iniciar o manuseio do equipamento, observe alguns cuidados importantespara evitar danos ao mesmo:

• Não deslize o carro sobre o trilho enquanto o fuxo de ar estiver desligado;

• Leia atentamente o roteiro do experimento;

• Não altere a posição do sensor 4;

• Não deixe a unidade geradora de fuxo de ar ligada sem utilização;

• Mantenha o controle de fuxo de ar sempre abaixo 3,0.

2. ApresentaçãoNeste experimento será estudado o movimento de um corpo sobre uma superfíciesem atrito e sob a ação de forças constantes. Para isto, serão empregados conheci-mentos das Leis de Newton, Conservação de Energia e Movimento a Aceleração Cons-tante.

O experimento será dividido em duas etapas apresentadas resumidamente abaixo:

• Nivelamento – Movimento a velocidade constante:

No primeiro ensaio o carro será lançado a uma velocidade constante sobre o trilho,para ajustar o nivelamento do trilho com base nas medidas de tempo do cronômetro.

• Força Constante:

Neste segundo ensaio, uma massa será usada para gerar uma força constanteimpulsionando o carro.

A aceleração do carro no Trilho de Ar pode ser determinado de duas formas: experi-mental, com as medidas dos espaçamentos dos sensores e os tempos de passagemdo carro entre eles, e teoricamente, resolvendo o sistema da Figura 2, por energia ouforça/torque. Nos dois casos algumas grandezas devem ser mensuradas.

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2.1. Aceleração ExperimentalA Figura 1 traz uma representação mecânica do trilho de ar, onde os sensores estãorepresentados pelos triângulos azuis nomeados de a . O carro será acelerado auma taxa constante disparando os sensores ao passar por eles. Portanto, ao passarpelo sensor , o carro terá a velocidade , que será acelerado a , ao alcançar osensor , e em seguida para a velocidade ao atingir o sensor e assim sucessiva-mente.

No experimento serão medidos apenas as variações de posição entre os sensores (

, , ...) e os intervalos de tempo entre os sensores ( , , ...), sendo asvelocidades desconhecidas. Utilizando apenas as equações do movimento (equações(1)), em dois intervalos consecutivos é facilmente demonstrado que a aceleração domovimento é dada pela expressão (8).

Este resultado depende explicitamente das medidas da variação de posição e do tem-po em cada intervalo e, portanto, necessita da realização do experimento, fazendodeste um resultado experimental, o que não ocorre no modelo teórico a seguir.

2.2. Aceleração TeóricaA Figura 2 mostra uma simplifcação mecânica do problema, onde o carro com massa

é puxado por uma massa , através de um fo ideal que passa por uma roldana demassa .

A aceleração deste sistema pode ser facilmente determinada por meio deconservação de energia e movimento ou, mais diretamente, pela segunda Lei doMovimento e Torque. A expressão fnal da aceleração é dada, em ambos os casos,pela expressão (9).

Observe que o resultado alcançado pela expressão (9) é puramente teórico, uma vezque para conhecer a aceleração do sistema, basta conhecer as massas dos corpos e aaceleração da gravidade, sem a necessidade de realização do experimento.

Figura 1: Modelo Físico do Trilho de Ar para análise experimental

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3. Experimento

3.1. Nivelamento – Movimento a velocidade constanteO objetivo desde primeiro ensaio é ajustar o melhor nivelamento possível para a ram-pa. Para isto serão feitos alguns lançamentos do carro com o trilho na horizontal, ondese deseja que a aceleração do carro seja o mais próximo possível de zero.

Como um pré nivelamento pode ser usado um nível de bolha, embora não seja crucial.O nivelamento a velocidade constante descrito a seguir é muito mais preciso que qual-quer nível bolha.

Figura 2: Modelo Físico do Trilho de Ar para análise teórica

M

m

µ

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3.1.1. Nivelamento à velocidade constante

Para refnar o nivelamento, posicione os sensores a distâncias iguais para realizar al-guns lançamentos1. Ao posicionar os sensores observe que apenas 800 mm da rampaestão disponíveis para o experimento, uma vez que o comprimento do carro ocupaquase 200 mm do trilho. Para aproveitar ao máximo o comprimento do trilho de ar,note que o sensor de número 4 foi posicionado ao fnal do trilho, próximo à posição de1050 mm. Não mova este sensor. Os procedimentos a seguir apresentam os preparosnecessários para os lançamentos. Execute-os com atenção.

Dica: Este experimento é muito sensível à medida da separação entre os sensores epor isto esta medida será crucial para a qualidade dos resultados. Utilizando uma es-cala de aço, meça a distância entre os orifícios (na parte interna dos sensores) paradeterminar sua separação.

1 Provavelmente os sensores já estão devidamente posicionados, apenas verifque e faça as devidas correções.

Figura 3: Nivelando o trilho

Figura 4: Trilho de Ar

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3.1.2. Executando os LançamentosPosicione o carro com a haste de disparo dos sensores, voltada para o primeirosensor. Em seguida ligue a Unidade de Geradora de Fluxo de Ar, Figura 5-2.

Atenção: Caso não seja produzido um fuxo de ar no trilho, gire o Controle do fuxo(Figura 5-1) para a posição menor que 3. Uma vez iniciado o fuxo de ar, reduza-o deforma a garantir que o carro deslize suavemente sobre o trilho.

Em seguida execute o lançamento do carro com as mãos, a uma velocidade baixa, deforma que o tempo de passagem do carro entre os sensores fque na faixa de 0,7 s a1,2 s.

Observe os tempos de passagem do carro entre os sensores e verifque se o carro estáacelerando ou desacelerando ao longo de seu movimento. Ajuste a inclinação com osparafusos de nivelamento, de forma que a aceleração residual seja da ordem de

, ou que os intervalos de tempo, da passagem do carro entre dois sensoresconsecutivos, não tenham um comportamento ordenado (somente cresçam ou somen-te decresçam), variem de forma aleatória. Quando valores satisfatórios forem alcança-dos, registre os dados do lançamento na Tabela 1 abaixo.

Sensores S (0,1) S (1,2) S (2,3) S (3,4)

______________ ______________ ______________ ______________

______________ ______________ ______________ ______________

Tabela 1: Lançamento do carro para nivelamento

A aceleração residual devido a qualquer inclinação persistente ou mesmo imperfei-ções na rampa devem ser menores que as acelerações encontradas nos próximos ex-perimentos.

3.2. Aceleração – Movimento a Força ConstanteNeste primeiro experimento será usado um suporte de massa com um ou dois dis-cos pequenos, conectados ao carro, de massa , através de uma roldana de massa ,como ilustra a Figura 2. Antes de iniciar os lançamentos, meça as massas dos corpos epreencha a Tabela 2:

Figura 5: Gerador de Fluxo de Ar

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Massas (g)Valor

Massa do Suporte + Disco Pequeno (m) ______________ ± ______________

Massa do Carro (M) ______________ ± ______________

Massa do Carro + 2 Discos (M') ______________ ± ______________

Massa da Roldana (μ)

Tabela 2: Massa dos corpos

Observe que o carro deve ser pesado sozinho e com dois (ou quatro) discos grandes eo suporte com um a dois discos pequenos, ou somente um disco fno. Em seguida pre-pare o cronômetro como descrito no Manual de Medidas Mecânicas.

Para fazer o lançamento, proceda como segue:

✔ Segure o carro com as mãos e ligue o fuxo de ar;

✔ Não solte o carro imediatamente, aguarde por ;

✔ Se o cronômetro estiver preparado, libere o carro para registrar o movimento;

✔ Anote os tempos entre os sensores na Tabela 3:

Sensores S (0,1) S (1,2) S (2,3) S (3,4)

______________ ______________ ______________ ______________

______________ ______________ ______________ ______________

Tabela 3: Lançamento do carro sem discos

Para o segundo lançamento, adicione discos grandes ao carro. Estes discos devem seradicionados aos pares (um em cada lateral do carro) para manter o seu equilíbrio.

Em seguida repita o lançamento e anote os resultados na Tabela 4:

Sensores S (0,1) S (1,2) S (2,3) S (3,4)

______________ ______________ ______________ ______________

______________ ______________ ______________ ______________

Tabela 4: Lançamento do carro com discos

4. Resultados: Trilho de ArEmpregando a expressão (8) nos dados da Tabela 1, avalie a aceleração residual donivelamento apresentando seus resultados na tabela abaixo.

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Intervalos 0 a 2 1 a 3 2 a 4

______________ ______________ ______________

Média Truncado

______________ ± ______________ ______________ ± ______________

Tabela 5: Aceleração residual ao nivelamento

Em seguida calcule as acelerações para os movimentos das Tabelas 3 e 4, colocandoseus valores nas Tabelas abaixo.

Intervalos 0 a 2 1 a 3 2 a 4

______________ ______________ ______________

Média Truncado

______________ ± ______________ ______________ ± ______________

Tabela 6: Aceleração para o carro sem discos

Intervalos 0 a 2 1 a 3 2 a 4

______________ ______________ ______________

Média Truncado

______________ ± ______________ ______________ ± ______________

Tabela 7: Aceleração para o carro com discos

Por fm calcule as acelerações teóricas com a expressão (9), apresentando os resulta-dos na Tabela abaixo.

Aceleração teórica do carro

Média Truncado

Carro sem discos ______________ ± ______________ ______________ ± ______________

Carro com discos ______________ ± ______________ ______________ ± ______________

Tabela 8: Acelerações Teóricas para os Movimentos

Agora compare as acelerações experimentais e teóricas obtidas no experimento epreencha os resultados de na Tabela 9.

Carro sem discos Carro com discos

______________ ______________

Tabela 9: Comparação entre valores experimentais e teóricos para a aceleração

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5. Experimento 03 – Trilho de ArProfessor: ______________________________________ Turma: _____ Data: ___/___/20___

Alunos:

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6. Dados ExperimentaisCopie os dados das tabelas anteriores nas tabelas abaixo:

Sensores S (0,1) S (1,2) S (2,3) S (3,4)

______________ ______________ ______________ ______________

______________ ______________ ______________ ______________

Tabela 10: Lançamento do carro para nivelamento

Massas (g) Valor

Massa do Suporte + Disco (m) ______________ ± ______________

Massa do Carro (M) ______________ ± ______________

Massa do Carro + Discos (M') ______________ ± ______________

Massa da Roldana (μ)

Tabela 11: Massa dos corpos

Sensores S (0,1) S (1,2) S (2,3) S (3,4)

______________ ______________ ______________ ______________

______________ ______________ ______________ ______________

Tabela 12: Lançamento do carro sem discos

Sensores S (0,1) S (1,2) S (2,3) S (3,4)

______________ ______________ ______________ ______________

______________ ______________ ______________ ______________

Tabela 13: Lançamento do carro com discos

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7. Equações e Expressões RelevantesNesta seção são apresentados as expressões, equações e defnições necessárias parao desenvolvimento do experimento. O Formulário aponta as equações e defnições es-senciais para o desenvolvimento das expressões na Composição, enquanto que esteúltimo apresenta as expressões fnais, geralmente, para a resolução do problemaapresentado no experimento.

7.1. Formulário:

(1)

Equações de movimento a aceleração constante

(2)

2ª Lei de Newton

(3)

Energia Cinética de Translação

(4)

Energia Cinética de Rotação

(5)

Energia Potencial Gravitacional

(6)

Comparação entre o valor da aceleração experimental e teórico

(7)

Aceleração da Gravidade

7.2. Composições

(8)

Equações do Movimento a Aceleração Constante

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(9)

Conservação de Energia e MRUV ou 2ª Lei de Newton e Torque2

2 Dica: o deslocamento horizontal na rampa será igual ao deslocamento vertical do suporte ( )

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