Relatório Experimental Segunda Lei de Newton

1. INTRODUÇÃO

O presente relatório registra os dados obtidos em laboratório de física experimental, gravados em vídeo, com o objetivo de analisar a Segunda Lei de Newton. Através de testes com um carrinho se movimentando ao longo de um trilho de ar e interligado a contrapeso, que alterava sua massa entre um experimento e outro, obteve-se com o auxílio de sensores e de um cronômetro digital os dados de tempo. Com base nesses valores, uma tabela foi gerada referente à aceleração e à força resultante do movimento.

2. DESENVOLVIMENTO

2.1 Fundamentação Teórica

“A força resultante que age sobre um corpo é igual ao produto da massa pela aceleração” (Halliday et al, p100, 2016), tal sentença é princípio fundamental da dinâmica, trata-se da Segunda Lei de Newton e faz parte do conjunto de regras da mecânica newtoniana que possibilita exemplificar e explicar a maioria das causas dos movimentos em nosso cotidiano. Uma força é uma grandeza física vetorial, o que significa que é algo que possui um valor, uma direção de ação e um sentido bem definido. É uma interação entre dois corpos ou entre um corpo e o seu ambiente. Simplificando, é o modo a alterar a inércia de um objeto, modificando seu estado de movimento de alguma forma. Isso significa que quando há interação de duas ou mais forças atuantes sobre o corpo, é possível calcular a força resultante (ou força total). Se a força resultante for nula, o corpo está em repouso ou em movimento retilíneo uniforme. Entretanto quando a força resultante não for nula, o corpo está acelerado na mesma direção e sentido dessa força. Tão importante quanto estabelecer o que é força, é estabelecer sua relação com a aceleração. Galileu foi o responsável por introduzir o conceito de aceleração como “A taxa com a qual a velocidade varia com o tempo. ”

Quem produz a aceleração é a força, a segunda lei de newton relaciona os conceitos fundamentais de aceleração e de força com a ideia de Galileu, sintetizada na equação a=f/m (a=aceleração, f=força, m=massa) ou a famosa f=m.a Olhando pra essa equação nós percebemos que a aceleração de um corpo é um resultado da interação de uma força sobre a sua massa, se eu aumento a força eu inevitavelmente aumento a aceleração, mas se eu aumento a massa eu aumento a inércia desse corpo, de forma que fica mais difícil de alterar seu estado de movimento, levando a sua aceleração a ser menor do que no primeiro caso.

2.2 Aplicações das Leis de Newton

Com base na teoria acima e de forma a desmembrar o experimento realizado, o esquema abaixo tem como objetivo demonstrar na prática o que as Leis de Newton afirmam sobre a força atuante nos corpos. Fazendo o diagrama de corpo livre do carrinho (Figura 1) é possível aferir que no eixo X a tração é a única força atuante e pela 2º Lei de Newton tem se que:

T1=m1×a

Sendo m1= a massa do carinho, a = aceleração

Figura 1- Diagrama de corpo livre do carrinho

O diagrama de corpo livre do contrapeso (Figura 2) nos permite afirmar com base na Lei de Newton que:

T2−P2=m2×(−a) , o valor da aceleração possui o sinal negativo por causa do referencial utilizado.

Sendo m2=M2+c e P2=m2×g

M2 = a massa do contrapeso, c = os pesos adicionados, g = valor da gravidade (9,81 m/s²).

Figura 2- Diagrama de corpo livre do contrapeso

Sabe se que a aceleração em ambos os corpos é a mesma, uma vez que estão ligados pelo mesmo fio e pela 3º Lei de Newton tem se que o valor da tração (T) possui o mesmo módulo para ambos os corpos, mesmo que o sentido e a direção do vetor tenham sido mudados, por causa da polia. Sendo assim,

m1×a=−m2×a+P2, a=P2/(m1+m2) (1) , T=m1.P2/(m1+m2) (2)

Como o experimento é realizado com um carrinho deslizando ao longo de um trilho de ar, as forças dissipativas, como o atrito, são desconsideradas.

2.3 Procedimentos Experimentais

Para realizar o procedimento, utiliza-se um trilho fabricado em alumínio com furos equidistantes por onde um fluxo de ar é produzido pelo soprador a fim de reduzir ao máximo o atrito com sua superfície. Posiciona-se o carrinho na extremidade do trilho oposto à uma roldana, preso a um fio inextensível e o fluxo de ar é então ligado e o carrinho solto, sem nenhum impulso, puxado apenas pelo contrapeso. As massas adicionais são presas na lateral do carrinho e os fotossensores, junto ao cronômetro, marcam o tempo do experimento. Os dados referentes ao tempo foram anotados e se fizeram mais 5 processos com essa mesma configuração, mas massas diferentes no carrinho, mantendo a do contrapeso sempre a mesma em todas as etapas.

Figura 3- Imagem ilustrativa da bancada de experimento

2.3.1. MATERIAIS UTILIZADOS

Para realização do experimento, foram usados os seguintes equipamentos:

Trilho de alumínio nivelado em relação à superfície da mesa;

Fio