Torque e conservação do momento angular

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

INSTITUTO DE FÍSICA - IFUSP

LICENCIATURA EM FÍSICA

4300255 - MECÂNICA DOS CORPOS RÍGIDOS E DOS FLUÍDOS.

ATIVIDADE 02: ANALISE EXPERIMENTAL SOBRE TORQUE E CONSERVAÇÃO DO MOMENTO ANGULAR.

São Paulo

2017

1. Introdução:

Neste trabalho encontra-se duas análises baseadas em conhecimentos teóricos e experimentais sobre os assuntos: torque e conservação do momento angular.

É notado que durante a graduação em física, as disciplinas que se intitulam como teóricas, por muitas vezes ignoram a parte experimental, ficando essa última parte a cargo apenas das disciplinas experimentais, e essas tem seus próprios assuntos, temas e objetivos a serem tratados.

O presente trabalho se propõe a analisar as grandezas físicas vetoriais: torque ([pic 1]) e a conservação do momento angular ([pic 2]), baseando-se em conteúdos teórico vistos em sala através de aulas expositivas, discussões e exercícios. Além disso, nos propomos a realizar 4 experimentos ( 2 relativos ao torque e 2 relativos ao momento angular) de modo a verificar o conteúdo visto de maneira teórica.

1. Montagem experimental:

1. Torque:

1. Materiais:

1. Experimento 01: a balança romana.

1. 1 régua de 50 cm;
2. 1 haste para servir como apoio;
3. 2 copos de plásticos;
4. 1 cilindro de ferro;
5. 1 bloco de madeira;
6. fios de nylon;
7. 2 clipes;
8. 1 balança.

1. Experimento 02:

1. 1 régua de 1,0 m;
2. 1 corrente de aproximadamente 50 cm;
3. 1 cilindro para servir como cabo de diâmetro 36,0 mm;
4. 1 cilindro de massa 0,5 kg;

1. O experimento:

1. Experimento 01: a balança romana.

O experimento consiste em prendermos a régua na haste, de modo que a régua fique fixa pelo seu centro de massa (≈ 25 cm).

Figura 01: Materiais do experimento da balança romana.

[pic 3]

Fonte: Elaborada pelos autores.

Os copos plásticos, previamente pesados na balança, são amarrados em lados diferentes da régua, opostos pela haste que a sustenta, com os fios de nylon e presos à régua pelos clipes.

O experimento consiste na busca pelo equilíbrio estático da régua junto com os objetos nela pendurados. Primeiramente, colocamos um corpo, com a massa conhecida (previamente medida na balança), dentro do copo plástico, em uma determinada posição em relação a haste. Então, colocamos o segundo objeto, de massa desconhecida, dentro do segundo copo plástico e posteriormente colocamos ele na régua de modo que a régua fique equilibrada na horizontal.

Figura 02: Montagem da balança romana.

[pic 4]

Fonte: Elaborada pelos autores.

1. Experimento 02:

O segundo experimento tem objetivos semelhantes ao primeiro, da balança romana. O objetivo é levantar a régua de 1,0 m, segurando em uma das extremidade, com a massa de 1,0 kg preso por uma corrente na oposta da régua por uma corrente.

Figura 03: Esquema e materiais do experimento 02 sobre torque.

[pic 5]

Fonte: Elaborada pelos autores.

Podemos pensar que seria necessário uma força que fosse numericamente maior que o peso da massa na extremidade, entretanto esse é um pensamento equivocado, pois na experiência em questão a tarefa mostrou-se extremamente difícil, mesmo a massa tendo apenas 1,0 kg. Para conseguirmos atingir tal objetivo é necessário gerar um torque que seja maior que o torque gerado pela massa que se encontra na extremidade.

1. Conservação do momento angular:

1. Materiais:

1. Experimento 03:

1. 1 banqueta giratória;
2. 2 halteres de massa 3,0kg;

1. Experimento 04:

1. 1 cadeira giratória;
2. 1 giroscópio de arco com punhaduras (roda de bicicleta).

1. O experimento:

1. Experimento 03:

Primeiramente, coloca-se uma pessoa sentada no banqueta giratório, o mais próximo do centro possível e também com a postura mais ereta possível. Em seguida, entrega-se os halteres, e a pessoa segura um em cada mão. Então pode-se para que a pessoa estique os braço, de modo que fiquem paralelos ao chão, e então rotaciona-se ela (a pessoa e o a banqueta).

Então verifica-se experimentalmente que quando os braços estão abertos a pessoa e a banqueta adquirem uma velocidade angular menor do que quando a pessoa está com os braços fechados, isto é, junto ao corpo próximo ao peito.

Figura 04: Figura ilustrando o experimento 03.

[pic 6]

Fonte: Sears & Zemansky, 2013. “Divertimento com a conservação do momento                                         angular.”. Física I, 335. São Paulo: Pearson.

1. Experimento 04:

Inicialmente, coloca-se uma pessoa sentada na banqueta giratória, em seguida dá-se a essa pessoa a roda de bicicleta na vertical, com uma certa velocidade angular. Logo em seguida, a pessoa deve inclinar a roda da bicicleta. Então, podemos verificar que, logo após inclinar a roda, a banqueta começa da rotacionar também. E gira no sentido oposto se a roda for inclinada para o outro lado.

Figura 05: Situação inicial do experimento 03.

[pic 7]

Fonte: LEWIN, Walter. Lectures by Walter Lewin. <https://www.youtube.com/watch?v=XPUuF_dECVI>. Acessado em 06/05/2017.

Figura 06: Após inclinar a roda, a banqueta junto a pessoa começa a girar.

[pic 8]

Fonte: LEWIN, Walter. Lectures by Walter Lewin. <https://www.youtube.com/watch?v=XPUuF_dECVI>. Acessado em 06/05/2017.

Figura 07: Situação quando a roda é inclinada na outra direção.

[pic 9]

Fonte: LEWIN, Walter. Lectures by Walter Lewin. <https://www.youtube.com/watch?v=XPUuF_dECVI>. Acessado em 06/05/2017.