Abaixo, um relatório de Física experimental I, cursada no segundo semestre de 2013 (2013.2), realizado por Augusto César de Sousa Meireles, com intuito de obter ao mesmo aprovação no laboratório de Física Experimental I. Vale ressaltar que o mesmo foi analisado pelo professor responsável e obteve nota 9,5.
CONFIRMAÇÃO
DA PRIMEIRA LEI DE NEWTON E NOÇÕES SOBRE FORÇA DE ATRITO
Augusto
César de Sousa Meireles
Salvador
2013
OBJETIVOS
Objetivos Gerais:
- Confirmar por
extrapolação a 1ª Lei de Newton, do movimento;
- Concluir que a força
é o agente capaz de modificar o estado de repouso ou de movimento de um corpo;
- Concluir sobre a
validade da 1ª Lei de Newton;
- Comparar atrito
estático e atrito cinético;
- Classificar as
forças de atrito
Objetivos Específicos:
Fundamentar e explicar
com clareza, através dos objetivos gerais, o assunto a ser tratado para que a
partir do princípio possa ser compreendido e analisado com percepção o que irei apresentar.
INTRODUÇÃO
TEÓRICA
Com base nos
estudos realizados por Galileu sobre o movimento dos corpos, Isaac Newton
formulou o movimento dos corpos. Isaac Newton formulou a primeira Lei de Newton
que ficou conhecida como o princípio da inércia.
Primeira Lei de Newton ( Princípio da
Inércia): Tendência que os corpos possuem em permanecer no
seu estado natural, repouso ou em Movimento Retilíneo Uniforme (MRU).
1) Um
corpo por si só não pode modificar o seu estado de repouso ou de movimento.
2)
Um corpo em repouso permanece em repouso
e um corpo em MRU permanece em MRU, a menos que uma força externa resultante não
nula atue sobre ele.
3) Se
o somatório das forças externas que atuam sobre um corpo for nulo, o mesmo
estará em repouso ou em MRU.
ΣFext = 0
ΣFext
= ΣFx + ΣFy + ΣFz = 0
ΣFextx
= 0
ΣFexty
= 0
ΣFextz
= 0
FORÇA DE ATRITO:
Até
agora, para calcularmos a força, ou aceleração de um corpo, consideramos que as
superfícies por onde este se deslocava, não exercia nenhuma força contra o
movimento, ou seja, quando aplicada uma força, este se deslocaria sem parar.
Mas sabemos que este é um caso idealizado. Por mais lisa que uma
superfície seja, ela nunca será totalmente livre de atrito.
Sempre que aplicarmos uma força a um corpo, sobre uma superfície, este
acabará parando.
É isto que caracteriza a força de atrito:
- Se opõe ao movimento;
- Depende da natureza e da rugosidade da
superfície (coeficiente de atrito);
- É proporcional à força normal de cada corpo;
- Transforma a energia cinética do corpo em
outro tipo de energia que é liberada ao meio.
A força de atrito é calculada pela seguinte relação:
Fat = ɥ . N
Onde:
μ: coeficiente de atrito
(adimensional) / N: Força normal (N)
Atrito Estático:
É aquele que atua
quando não há deslizamento dos corpos.A força de atrito estático máxima é igual
à força mínima necessária para iniciar o movimento de um corpo.
Quando um corpo não está em movimento a
força de atrito deve ser maior que a força aplicada, neste caso, é usado no
cálculo um coeficiente de atrito estático:
.
Então:
Fat est = ɥest . N
Atrito Cinético:
É aquele que atua quando há deslizamento de corpos.
Quando a força de atrito estático for
ultrapassada pela força aplicada ao corpo, este entrará em movimento, e
passaremos a considerar esta força de atrito como força de atrito cinético,
pois o mesmo estará em movimento.
A força de atrito cinético é sempre menor do que a força aplicada ao
corpo. No seu calculo é aplicada a força de atrito cinético:
Então:
Fat c = ɥ c . N
MÉTODO
EXPERIMENTAL
A experiência foi conduzida tecnicamente
com alguns materiais necessários para a realização dos mesmos, tendo como base
os materiais cedidos pelo laboratório de Física Geral e Experimental I. Os
materiais utilizados foram:
-
Um dinamômetro de 2N
-
Um corpo de prova de madeira sendo que de um lado a superfície era lisa e do
outro esponjoso.
-
Um anel com fio de poliamida.
A
montagem para ser seguida a experiência foi de acordo com a ilustração mostrada
no roteiro, sendo que o dinamômetro teria que se encaixar com o anel fixado no
corpo paralelamente com a superfície.
Algumas perguntas foram propiciadas neste
roteiro a fim de obtenção de resultados experimentais e encaminhadas para o
mesmo através de diversas análises para a obtenção das respostas, conduzidas
por fórmulas expressadas a cima e aprendidas anteriormente, ensinadas pelo
professor Antônio Bião.
Na tabela abaixo será exibida as forças
aplicada em N (Newton) juntamente com a obtenção de respostas, sendo estas se
ocorreu à ação do movimento ou não.
|
Superfície em contato:
|
Tampo da mesa e esponja:
|
|
Força aplicada em (N)
|
Ocorrência de movimento (sim) ou (não)
|
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0,2
|
Não
|
|
0,4
|
Não
|
|
0,6
|
Não
|
|
0,8
|
Não
|
|
1,0
|
Não
|
|
1,2
|
Sim
|
|
1,4
|
Sim
|
|
1,6
|
Sim
|
Tabela 1
A Seguir mostrarei uma outra tabela com o
mesmo objetivo. A única diferença foi a superfície que está em contato com a
bancada, irá ser a superfície lisa, ou seja, de madeira.
|
Superfície em contato:
|
Tampo da mesa e madeira:
|
|
Força aplicada em (N)
|
Ocorrência de movimento (sim) ou (não)
|
|
0,2
|
Não
|
|
0,4
|
Não
|
|
0,6
|
Não
|
|
0,8
|
Sim
|
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1,0
|
Sim
|
|
1,2
|
Sim
|
|
1,4
|
Sim
|
|
1,6
|
Sim
|
Tabela 2
RESULTADOS
E DISCUÇÃO
As
perguntas expostas no roteiro era, basicamente, sobre a obtenção dos resultados
das experiências, mostradas na tabela 1 e 2, e nas aplicações das fórmulas
exibidas na introdução teórica. Diante desses resultados obtidos formularei
algumas respostas exatas sobre os mesmos, mostrando com extrema clareza o que
foi compreendido no experimento a qual o professor nos responsabilizou a fazer
a fim de obter experiência e, posteriormente a ganhar cada vez mais
conhecimento sobre o assunto.
01 – Com o bloco A em repouso relativo à mesa e
mantendo o dinamômetro paralelo à superfície, aplique uma força de 0,2N sobre o
móvel. O bloco se moveu sob a ação da força de 0,2N?
R: Não
02 – Aumente a intensidade da força de 0,2N em 0,2N
completando a tabela 1.
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Superfícies em Contato
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Tampo da Massa e Esponja
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|
Forças aplicadas em (N)
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Ocorrência de Movimento (Sim) ou (Não)
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0,2
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Não
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0,4
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Não
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0,6
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Não
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0,8
|
Sim
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1,0
|
Sim
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1,2
|
Sim
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|
1,4
|
Sim
|
|
1,6
|
Sim
|
03 – Qual foi o valor aproximado da menor força
capaz de iniciar o movimento entre as superfícies esponjosa (do bloco) e a do
tampo da mesa?
R: 0,8N
04 – Procedendo como na atividade anterior,
complete a tabela 2.
|
Superfícies em Contato
|
Tampo da Massa e Madeira
|
|
Forças Aplicadas em (N)
|
Ocorrência de Movimento (Sim) ou (Não)
|
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0,2
|
Não
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0,4
|
Não
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0,6
|
Não
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0,8
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Não
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1,0
|
Não
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1,2
|
Sim
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|
1,4
|
Sim
|
|
1,6
|
Sim
|
Determine o valor aproximado da menor força capaz
de iniciar o movimento entre as superfícies de madeira (do bloco) e a da mesa?
R: 1,2N.
05 – Compare as respostas dos itens 4.1 e 4.2 e
procure justificar a diferença.
R: Com a esponja o
contato é menor do que só com o outro corpo de prova.
06 – Como você justificaria o fato de as forças
externas iniciais (dentro de um certo limite) não tem conseguido movimentar o
bloco?
R: Porque a pessoa
não atingiu a força de atrito estático.
07 – Segundo suas observações, o que você deve
admitir para justificar uma resultante externa nula no intervalo em que a força
aplicada não foi capaz de mover o bloco?
R: Porque a força
que foi aplicada foi menor do que a de atrito.
08 – Determine o valor da força normal N que atua
sobre o corpo de prova utilizado.
R: 2,32N
09 – Com base na tabela 2, determine o valor médio
da fe máxima entre a superfície de madeira e a da mesa.
R: 1,2 N Mc = 1,2/032= 0,52N
10 – Determine o valor (aproximado) do μe entre
as superfícies de madeira (do corpo de prova) e a da mesa.
R: 0,52 F= 1,2/2,32 = 0,52
11 – É válido afirmar que o valor do μe entre
duas superfícies acima é fixo e pode, com toda certeza, ser “tabelado”?
Justifique sua resposta.
R: Não. Depende das
condições do teste realizado.
12 – Caso déssemos um empurrão no bloco, com a
parte esponjosa em contato com a mesa, e, depois, com a sua superfície de madeira
para baixo, em qual das situações o bloco pararia primeiro? Justifique a sua
resposta.
R:
O bloco que pararia primeiro seria a com o corpo que tem a superfície
esponjosa, pois a força de atrito iria ser maior do que com a superfície lisa.
Caso este que expliquei na introdução teórica.
13 – extrapole sua resposta anterior, para o caso
ideal de não existir qualquer tipo de atrito entra as superfícies.
R:
A única maneira de não existir qualquer tipo de atrito entre as superfícies é
quando ambas estão em estado de repouso, ou em movimento retilíneo uniforme,
exercendo a força de atrito cinético, quando a superfície do bloco está em
movimento, ou seja, a força aplicada sobre o bloco é maior do que a força
aplicada sobre a bancada.
14 – que tipo de movimento o móvel executaria neste
caso ideal?
R:
movimento retilíneo uniforme
15 – Comparando suas respostas, discuta a validade
da seguinte afirmação: “Um corpo em repouso ou em movimento retilíneo uniforme
assim permanecerá a menos que uma força resultante externa venha a atuar sobre
ele”
R:
Verdadeira. Pois está frase se aplica a que eu expliquei na introdução teórica,
sendo ela uma das afirmações que expliquei sobre a primeira lei de Newton, onde
o corpo não realiza movimento por si só a não ser que uma força resultante
externa venha a atual sobre ele.
15 – Puxe o corpo de prova, com a sua superfície de
madeira em contato com a da mesa, procurando mantê-lo em baixa velocidade e o
mais próximo possível de um movimento retilíneo e uniforme. Durante o
deslocamento do corpo de prova, peça a um colega para anotar o valor da força
aplicada. Refaça 5 vezes a operação e, para cada caso, anote o valor
encontrado.
R:
0,62N 0,6N 0,6N 0,64N 0,66N
16 – procure justificar as diferenças encontradas.
R:
As diferenças encontradas poderão ser explicadas através do local a qual o
bloco foi puxado. As 5 tentativas foram em determinados lugares diferentes da
mesa, e posso explicar através da teoria de erros, agravando, certamente,
lugares da mesma mesa com a superfície de muito ou pouco atrito. Assim como a
medida que apliquei, pois fui o mais perto possível do movimento ser paralelo
entre o dinamômetro e a mesa.
17 – Calcule a média dos valores encontrados no
intem anterior.
R:
(0,62N + 0,6N + 0,6N + 0,64N + 0,66N)/5 = 0,624N
18 – a expressão fc=
uc.N vincula a força de atrito
cinético com a força normal às superfícies em movimento relativo. Indique cada
termo da equação.
R:
Fc= força de atrito cinético, Uc = atrito cinético, N = força Normal.
19 – determino o valor médio da fc e, a partir
desta, calcule o valor provável de Uc entre as superfícies da mesa e da
esponja.
R:
Fc=Uc.N → Fc=0,52 . 2,32N → Fc =
1,2N
CONCLUSÃO E SUGESTÕES
Conclui-se
que para movimentar um corpo, seja ele qualquer, de massa X, devemos aplicar
uma força resultante sobre o mesmo, com finalidade de deslocar o corpo. Diante
desta realidade vimos que para atribuir uma força ao corpo, a força que
aplicarmos terá que ser maior que a força de atrito que este corpo se encontra.
Se houver deslocamento, concluímos que a força que aplicamos ao corpo foi a
força estática, pois não houve o deslocamento do mesmo, ou então a força de
atrito foi igual a força aplicada; denominamos então de força estática. Ao
contrário deste exemplo, podemos perceber através deste relatório com
questionários experimentais que, ao aplicarmos uma força ao corpo, e, o mesmo
se deslocar, conclui-se que aplicamos uma força de atrito cinético, pois o
corpo se deslocou do local de origem.
Por
fim, entendemos com total clareza a primeira lei de Newton, onde ele determinou
que um corpo não se desloca naturalmente por si só, a não ser que haja uma
força externa aplicada sobre o mesmo.
APLICAÇÕES NA CIÊNCIA E
TECNOLOGIA
A força de atrito é uma força de importância
indiscutível, pois ela está presente em praticamente todos os momentos do nosso
dia-a-dia. Sem ela, seria impossível você estar agora sentado lendo esse texto,
pois você já teria escorregado pela sua cadeira. O simples ato de andar também
seria inviável, pois sem o atrito você não teria apoio nem para ficar de pé.
Analise
um exemplo pelo qual irei demonstrar:
É comum nos depararmos com a tarefa de
empurrar algum objeto pesado, como um guarda roupa, e encontrarmos alguma
dificuldade para tirá-lo do lugar. Tal dificuldade vem do fato de o chão e a
base do guarda roupa serem ásperos, e também de o guarda roupa ser muito
pesado.
Observamos
também que não conseguimos mover o guarda roupa de imediato. É preciso fazer
uma força relativamente grande, e - depois que se consegue estabelecer o
movimento - é mais fácil manter o guarda roupa nesse estado do que tirá-lo do
lugar.
Essa situação se explica pela existência de
dois tipos de atrito: o estático e o cinético.
A
força de atrito estático ocorre quando a força aplicada não é suficiente para
mover o objeto. É aquela situação em que você empurra o guarda roupa e ele não
se move. Isso ocorre porque a força aplicada é igualada pela força de atrito.
Observe que por esse motivo, a força de atrito estático tem a sua intensidade
variável.
Por
exemplo, imagine que você aplicou uma força de 100N no guarda roupa. Se ele não
se mover é porque o atrito também vale 100N. Se você aumentar a força aplicada
para 130N e ele continuar imóvel, é porque atrito também aumentou para 130N e
assim continuará sendo até que o guarda roupa entre em movimento.
Por
fim, chegamos a conclusão de que tudo em que fazemos, é graças a todas essas
teorias comprovadas cientificamente por grandes físicos de toda a história da
humanidade. Sem este assunto a qual o relatório foi proposto, não teríamos
conseguido nem sequer fazer, pois apenas o ato de você movimentar o seu corpo
para digitar, você realizará uma força para que consiga deslocar a sua mão
entre o teclado. Portanto, é de, extrema importância o conhecimento desde
assunto para levar a diante da vida de qualquer profissional, principalmente
àqueles que querem ser Engenheiros Civis, como eu.
