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Relatório sobre Momento de Inércia de um Corpo

Por:   •  22/8/2023  •  Trabalho acadêmico  •  3.791 Palavras (16 Páginas)  •  70 Visualizações

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[pic 1]

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA

ENGENHARIA DE PRODUÇÃO

Turma K - Física Experimental A

PRÁTICA 6 – ESTUDO DO MOMENTO DE INÉRCIA DE SISTEMAS DISCRETOS PELO MÉTODO

CIENTÍFICO

Núcleo de Laboratórios de Ensino de Engenharia

Prof. Waldir Avansi Junior

Alunos:

Bruno Mione – 812461 Emerson Gomes – 811581 Guilherme Carbinatto - 811696

São Carlos 2023

  1. Resumo

Este estudo experimental tratou de analisar a relação entre um sistema com seus componentes, a fim de determinar o momento de inércia e uma equação empírica através do método científico. Para tal fito, o sistema composto por um carretel, fio, cruzeta e roldanas, foi submetido à aplicação de diferentes massas, que ficaram suspensas no sistema. Além disso, houveram variações da distância da aplicação dessas massas em relação ao eixo de rotação. Tais aplicações/variações serviram como material de estudo para analisar a reação do sistema como um todo frente às mudanças impostas.

Através dos valores obtidos, foram desenhados gráficos e construídos cálculos, que auxiliaram na compreensão dos dados obtidos. Os cálculos e gráficos desenvolvidos constam na apresentação de resultados e apêndice.

  1. Objetivos

Durante a experimentação, buscou-se de maneira visual inferir o funcionamento do sistema, isto é, analisar o comportamento prático do mesmo, dada as devidas alterações.

No âmbito teórico e pós-prática, os objetivos principais foram: analisar através dos dados obtidos e cálculos efetuados o que se inferiu na prática, e consequentemente estimar a relação entre as variáveis e o sistema na qual foram incluídas. Além disso, determinar o momento de inércia e entender o seu significado no sistema discreto analisado.

  1. Materiais utilizados

  • Régua da marca “Bandeirante”, com incerteza padrão de 1𝑚𝑚.
  • Trena da marca “Brasfort”, com incerteza padrão de 1𝑚𝑚.
  • Balança analógica da marca “Balanças JB”, com incerteza padrão de 0, 1 𝑔.
  • Cronômetro da marca “AKSO”, modelo AK68, com incerteza padrão de 0, 01𝑠.
  • Sistema girante preso a fio, relacionado através de polias, com uma massa

𝑚 = (66, 4±0, 1) 𝑔 pendurada.

  • Cinco conjuntos de quatro massas em formas de tubos cilíndricos espessos, dos materiais ferro, madeira, alumínio e latão (dois deles).
  • Papel para os gráficos em escalas di-log e milimetrado.
  • Paquímetro ``Kingtools´´, com incerteza padrão de 0,02mm
  • Massas para suspensão.

  1. Fundamentos Teóricos

A composição de um sistema em translação são caracterizadas por possuírem a mesma velocidade de translação. Dessa forma, conclui-se que o momento linear é o produto da massa (somatória das massas das partículas) pela

velocidade de translação.

A partir da Segunda Lei de Newton:

F = Ma        (3.1)

Sabe-se que quanto maior a inércia de um corpo maior deverá ser a força para acelerá-lo [1]. Dessa forma, nota-se a íntima relação entre a massa e a dificuldade de alterar a quantidade de movimento de um corpo.

Em um sistema em movimento de rotação, o princípio é análogo. Todas as partículas pertencentes a um corpo rígido que gria em torno de um eixo de rotação tem a mesma velocidade angular (ω), mesmo que tenham diferentes velocidades de translação. Deste modo, um corpo que possua velocidade angular pode ser associado a um momento angular (L), como mostra a seguinte equação:

L = Iω (3.2)

Na equação 3.2, I representa o momento de inércia. Esta grandeza encontra-se numa dinâmica para corpos em movimento rotacional, que deve ser especificado com respeito aos eixos de rotação. Para um centro de massa, o momento de inércia é apenas a massa elevada ao quadrado de uma distância perpendicular ao eixo de rotação, I = m𝑟𝑛. Tal relação com o centro de massa é o principal embasamento para todos outros momentos de inércia, que variam de acordo com a geometria do sólido estudado [2].

[pic 2]

Figura 1 - Diferentes sólidos e eixos e seus respectivos momentos de inércia.

A forma rotacional para a segunda lei de Newton pode ser apresentada como a equação abaixo:

τ = Iω (3.3)

Sendo τ o torque. As equações entre os movimentos de rotação e translação (3.3 e 3.2, respectivamente) são, portanto, matematicamente equivalentes. Sendo assim, o momento de inércia interpreta-se como a dificuldade para se alterar o momento angular de um corpo, e a inércia contra a rotação.

O momento de inércia de uma partícula em um sistema de rotação possui a possibilidade de ser descrito pela seguinte equação (3.4):

𝑘 𝑛

𝐼 = 𝐶𝑀 𝑟


(3.4)

Nesta equação, M define-se como a massa da partícula, que está a uma distância r do eixo de rotação, as potências k e n são números inteiros e C é a constante adimensional.

Para um sistema em rotação com um número indefinido de partículas (N), considera-se um momento de inércia total IT, que pode ser determinado da seguinte maneira:[pic 3]

(3.5)

Para sistemas de massa contínuos, o somatório acima é transformado em uma integral.

Analisando o sistema para medição de momentos de inércia, apresentado no item 4.1 deste relatório, supõe-se que o momento de inércia provenha apenas do sistema girante [2]. Com isso, aplicando a segunda lei de Newton para a massa suspensa (m) quando a mesma estiver a uma altura h do solo, obtém-se a seguinte equação para o movimento de queda na vertical:

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