Constante Elástica da Mola

AULA PRÁTICA FÍSICA DO MOVIMENTO Procedimento de Aula Prática Síncrona para a disciplina de Física do movimento A atividade será realizada em tempo real via web pelo docente e replicada também em tempo real pelos estudantes Desta forma será possível a interação entre os participantes para retirar dúvidas e trocar experiências No dia e horário agendado para a aula os alunos deverão estar preparados em um espaço onde possa ser realizada a prática com os materiais necessários disponíveis e participando ativamente da experiência Todos os materiais listados para essas práticas são de uso comum e fácil acesso possibilitando a realização das práticas em casa e em segurança Bemvindo ao Novo Extraordinário Autores e revisores Elias Arcanjo Silva Junior Tiago Araújo Lima Heloisa de Sousa Pimentel Moreira Alfredo João dos Santos Neto ATIVIDADE PRÁTICA 1 VOLUME E DENSIDADE Objetivos Familiarização com equipamento de medida de comprimento e os conceitos de algarismos significativos e incertezas Resultando na medida do volume de bloco prismático e sua densidade Material Utilizado Fita Métrica Trena ou Régua Bloco prismático Balança Procedimento Medir as 3 dimensões do bloco e denotálas por 𝑥 𝑦 e 𝑧 Determinar a incerteza das medições Medir a massa 𝑚 do Bloco Determinar a incerteza da massa Orientações Gerais Registrar por foto ou vídeo as práticas realizadas e enviar o relatório até a data limite de envio da atividade Dados para Relatório Pesquisar Importância do conhecimento da densidade de um material Tópicos da Física onde a densidade do objeto estudado é relevante Resultados e cálculos para o relatório Obter o Volume V da Bloco retangular 𝑉 𝑥 𝑦 𝑧 Calcular a incerteza do volume obtido Obter a densidade 𝑑 do Bloco Retangular 𝑑 𝑚 𝑉 Calcular a incerteza da densidade obtida Pesquisar a densidade do material de que é feito o bloco e comparar com a densidade obtida ATIVIDADE PRÁTICA 2 CONSTANTE ELÁSTICA DA MOLA Objetivo Determinar a constante elástica da mola Material utilizado Régua ou Trena Mola Pesos diversos Procedimento O experimento consiste em aplicar várias forças pesos a mola vertical e medir as deformações produzidas Suspenda a mola e pendure um suporte para os objetos em sua extremidade livre Escolha um ponto de referência no suporte e leia a posição dele na régua este será o alongamento zero ou seja será desprezado o alongamento produzido pelo suporte Obtenha um conjunto de deformações 𝑥 aplicando forças 𝐹 diferentes à mola ou seja colocando quantidades diferentes de objetos no suporte Registre suas observações numa tabela Retire todos os pesos que você colocou certifiquese que a mola voltou à sua posição inicial ou seja a deformação foi elástica e a mola não sofreu uma deformação permanente Faça o gráfico força 𝐹 versus deformação 𝑥 para a mola Podese observar que existe uma relação linear entre 𝐹 e 𝑥 𝐹 𝐴 𝐵𝑥 em que 𝐴 e 𝐵 são coeficientes que definem a reta do gráfico Por meio do processo de regressão linear determine a inclinação da reta correspondente e indique a grandeza física a ela relacionada Escreva o valor da constante elástica A partir do modelo físico utilizado o valor da constante A deve ser zero no presente caso Verifique o valor encontrado e explique o resultado Orientações Gerais Registrar por foto ou vídeo as práticas realizadas e enviar o relatório até a data limite de envio da atividade Resultados e cálculos para o relatório Obter o valor da constante elástica Escrever brevemente sobre o porquê o valor de A foi diferente de zero ATIVIDADE PRÁTICA 3 PÊNDULO E ESTATÍSTICA Objetivo Familiarização com alguns equipamentos de medida de comprimentos e tempo utilizados num laboratório Resultando na aplicação de conceitos de estatística na medida do Período T de um pêndulo Material Utilizado Barbante Fita Métrica Cronômetro Trena Procedimento Escolher um comprimento de pêndulo L Sugestão em metros entre 030 e 060 Esse comprimento deve ser medido entre o ponto de fixação e o Centro de Massa aproximado do pêndulo O pêndulo pode ser de qualquer material desde que seja de fácil amarração no fio Sua massa deve ser consideravelmente maior que a do fio para que ele se mantenha esticado durante todo o balanço do pêndulo Desde que não traga risco de rompimento do fio Puxar o pêndulo mantendo o fio esticado de um pequeno ângulo no máximo 20º Soltalo com cuidado para minimizar movimentos de vibração da peça Após poucas oscilações acionar cronômetro em um dos pontos de retorno contar 1 oscilação e pausar a medida O aferido é o período de oscilação T Repetir 20 vezes a realização acima e registrar os dados numa tabela Orientações Gerais Registrar por foto ou vídeo as práticas realizadas e enviar o relatório até a data limite de envio da atividade Dados para relatório Pesquisar Erro Aleatório Fontes de erro aleatório Fórmula para determinação do período de oscilação do pêndulo Resultados e cálculos para o relatório Obter a média e desviopadrão das medidas Apresentar o valor do período com a sua incerteza Comparar o resultado experimental com o resultado encontrado com a fórmula do período de oscilação do pêndulo simples Apresentar uma metodologia para minimizar o erro experimental ATIVIDADE PRÁTICA 4 MEDINDO O NÚMERO π Objetivos Familiarização com equipamento de medida de comprimento e os conceitos de algarismos significativos e incertezas Resultando na medida do número π Material utilizado Fita Métrica ou Trena 3 Peças cilíndricas Procedimento Medir o comprimento C de cada peça Medir o diâmetro D da circunferência de cada peça Determinar a incerteza de medição dos diâmetros e dos comprimentos das circunferências Orientações Gerais Registrar por foto ou vídeo as práticas realizadas e enviar o relatório até a data limite de envio da atividade Dados para o relatório Pesquisar Origem do número Pi Onde ele aparece na matemática Histórico de precisões nas obtenções de casas decimais de Pi Resultados e cálculos para o relatório Obter Pi para cada peça Pi CD Calcular a incerteza do valor medido de Pi para cada peça Comparar os valores medidos com o adotado 314159 através do erro percentual Organizar os resultados para cada peça da medida de Pi suas incertezas e erros percentuais numa tabela Escreva brevemente sobre as possíveis semelhanças diferenças e padrões entre os valores da tabela Física Experimental COLOQUE O NOME AQUI Aula Prática Determinação da Constante Elástica de uma Mola Helicoidal CIDADE ESTADO escreva seus dados 05 de Abril de 2024 10 Introdução A lei de Hooke formulada pelo físico britânico Robert Hooke no século XVII descreve o comportamento elástico de materiais como as molas Segundo essa lei a deformação de um material é diretamente proporcional à força aplicada sobre ele desde que a deformação seja pequena o suficiente Essa relação linear entre a força aplicada e a deformação resultante é uma característica fundamental dos materiais elásticos e é expressa pela equação onde F é a força aplicada K é a constante elástica da mola e x é a deformação O experimento que será descrito neste relatório tem como objetivo determinar a constante elástica de uma mola através da aplicação de diferentes forças e a medição das deformações resultantes Para isso serão suspensos pesos na mola e registradas as deformações correspondentes Inicialmente a mola será suspensa e um suporte será colocado em sua extremidade livre Um ponto de referência será escolhido no suporte representando o alongamento zero da mola Com isso qualquer deformação préexistente na mola causada pelo próprio suporte será desconsiderada Em seguida serão aplicadas diferentes forças à mola representadas pela adição de pesos no suporte As deformações resultantes serão registradas em uma tabela para posterior análise Após a aplicação das forças os pesos serão removidos e será verificado se a mola retorna à sua posição inicial indicando que a deformação foi elástica e não houve deformação permanente Com base nos dados coletados será construído um gráfico de força versus deformação onde esperase observar uma relação linear entre essas grandezas Através de uma regressão linear será determinada a inclinação da reta correspondente relacionandoa com a constante elástica da mola Este experimento proporcionará uma compreensão prática da lei de Hooke e da importância da constante elástica na caracterização do comportamento elástico de materiais como as molas 20 MATERIAIS UTILIZADOS F K x Materiais Necessários para o Experimento Qntd Mola 1 Régua ou Trena 1 Balança Eletrônica 1 30 DESENVOLVIMENTO 31 Procedimento Experimental No decorrer do experimento a primeira etapa foi a preparação das massas acopláveis escolhidas dentre diversas opções com valores conhecidos previamente medidas através de um balanço e registradas em uma tabela Estas massas desempenharam um papel crucial servindo como carga para a mola durante o experimento Em seguida a mola helicoidal selecionada foi posicionada na posição vertical suspensa por um suporte Na extremidade inferior da mola foi fixado o suporte designado para receber as massas acopláveis assegurando que a mola estivesse em sua posição inicial sem qualquer carga O próximo passo envolveu a medição do comprimento inicial da mola utilizando uma régua sem a presença de qualquer massa acoplada garantindo uma medida de referência para desconsiderar o peso do suporte Esse valor foi anotado na tabela para referências futuras Cuidados foram tomados para verificar os locais específicos utilizados para medir o comprimento da mola estabelecendo um padrão seguido em todas as medições subsequentes para garantir consistência nos resultados Prosseguindo massas acopláveis foram adicionadas ao suporte e o novo comprimento da mola foi medido Este procedimento foi repetido para diferentes massas obtendo entre 5 e 7 medidas adicionais Todas as medidas foram sistematicamente anotadas na tabela mantendo a ordem das massas acopláveis e seus respectivos comprimentos Durante cada medição foram registrados precisamente os valores obtidos na tabela Esses registros serão fundamentais para uma análise subsequente consistente permitindo a determinação precisa da Constante Elástica da Mola Helicoidal Toda essa coleta de dados e análises se revelam essenciais para uma compreensão teórica e experimental mais aprofundada das propriedades elásticas da mola em questão Através desses métodos será possível extrair informações valiosas sobre o comportamento da mola sob diferentes cargas contribuindo para o entendimento mais amplo dos princípios da física experimental e suas aplicações práticas 32 Resultados e Análises Para resolver este problema consideramos Assim para calcular a Força Peso temos a seguinte relação matemática Dessa maneira como o sistema está em equilíbrio temos que ou seja a força peso se iguala a força elástica da mola Por isso conseguimos encontrar a Constante Elástica da Mola k Com essa ideia definimos a Lei de Hooke Mediante ao exposto a fim de determinar o coeficiente da Mola Helicoidal podemos utilizar recursos gráficos g 981m s2 Massa g Força Peso N Comprimento da Mola cm Comprimento da Deformação da Mola cm Constante Elástica da Mola k Nm 4997 04902 151 148 33121 9983 09793 151 170 57605 14972 14687 151 196 74933 19965 19585 151 220 89022 24955 24480 151 245 99918 FP m g FP FE FE k d FE FP k x 10 Gráfico entre F N x d m Portanto como observado no gráfico F x d temos uma relação linear entre tais grandezas o que se justifica pela Lei de Hooke Além disso por meio do software SciDavis tornase possível calcular a Constante Elástica da Mola k em que resulta em No contexto do experimento realizado para determinar a constante elástica de uma mola helicoidal o valor de A pode ter se revelado diferente de zero devido a uma série de fatores O termo representa a força inicial necessária para deformar a mola mesmo na ausência de uma carga externa Esse valor inicial pode ser influenciado por diversos aspectos como a rigidez intrínseca da mola possíveis imperfeições na fabricação ou até mesmo deformações residuais que a mola possa ter sofrido anteriormente Além disso fatores ambientais como a temperatura e a umidade podem desempenhar um papel na determinação do valor de A pois afetam as propriedades mecânicas do material da mola A presença de atrito ou de tensões residuais também pode contribuir para um valor não nulo de A uma vez que esses elementos influenciam a resistência inicial oferecida pela mola antes mesmo de começar a ser deformada Portanto é importante considerar que embora o modelo teórico idealize como sendo A igual a zero no contexto experimental é comum encontrar valores diferentes devido a diversos fatores que afetam o comportamento real da mola Essas variações são fundamentais para uma compreensão mais abrangente do sistema físico estudado e para a interpretação precisa dos resultados experimentais obtidos 40 CONCLUSÃO O experimento revelou uma relação linear consistente entre a força aplicada e o deslocamento da mola validando a Lei de Hooke O gráfico linear demonstrou claramente a influência da carga no estiramento da mola A inclinação da reta no gráfico equivalente à Constante Elástica k foi determinada com precisão Esse coeficiente não apenas forneceu um valor numérico para a rigidez da mola mas também evidenciou sua capacidade de resistir à deformação A determinação da Constante Elástica por meio do coeficiente angular da reta se mostrou uma abordagem eficaz contribuindo significativamente para a compreensão prática e teórica dos princípios fundamentais da elasticidade em materiais k 200499 Nm F A Bx x 0 50 ANEXOS Figura 20 Foto do experimento Física Experimental COLOQUE O NOME AQUI Aula Prática Determinação da Constante Elástica de uma Mola Helicoidal CIDADE ESTADO escreva seus dados 05 de Abril de 2024 10 Introdução A lei de Hooke formulada pelo físico britânico Robert Hooke no século XVII descreve o comportamento elástico de materiais como as molas Segundo essa lei a deformação de um material é diretamente proporcional à força aplicada sobre ele desde que a deformação seja pequena o suficiente Essa relação linear entre a força aplicada e a deformação resultante é uma característica fundamental dos materiais elásticos e é expressa pela equação FK x onde F é a força aplicada K é a constante elástica da mola e x é a deformação O experimento que será descrito neste relatório tem como objetivo determinar a constante elástica de uma mola através da aplicação de diferentes forças e a medição das deformações resultantes Para isso serão suspensos pesos na mola e registradas as deformações correspondentes Inicialmente a mola será suspensa e um suporte será colocado em sua extremidade livre Um ponto de referência será escolhido no suporte representando o alongamento zero da mola Com isso qualquer deformação préexistente na mola causada pelo próprio suporte será desconsiderada Em seguida serão aplicadas diferentes forças à mola representadas pela adição de pesos no suporte As deformações resultantes serão registradas em uma tabela para posterior análise Após a aplicação das forças os pesos serão removidos e será verificado se a mola retorna à sua posição inicial indicando que a deformação foi elástica e não houve deformação permanente Com base nos dados coletados será construído um gráfico de força versus deformação onde esperase observar uma relação linear entre essas grandezas Através de uma regressão linear será determinada a inclinação da reta correspondente relacionandoa com a constante elástica da mola Este experimento proporcionará uma compreensão prática da lei de Hooke e da importância da constante elástica na caracterização do comportamento elástico de materiais como as molas 20 MATERIAIS UTILIZADOS Materiais Necessários para o Experimento Qntd Mola 1 Régua ou Trena 1 Balança Eletrônica 1 30 DESENVOLVIMENTO 31 Procedimento Experimental No decorrer do experimento a primeira etapa foi a preparação das massas acopláveis escolhidas dentre diversas opções com valores conhecidos previamente medidas através de um balanço e registradas em uma tabela Estas massas desempenharam um papel crucial servindo como carga para a mola durante o experimento Em seguida a mola helicoidal selecionada foi posicionada na posição vertical suspensa por um suporte Na extremidade inferior da mola foi fixado o suporte designado para receber as massas acopláveis assegurando que a mola estivesse em sua posição inicial sem qualquer carga O próximo passo envolveu a medição do comprimento inicial da mola utilizando uma régua sem a presença de qualquer massa acoplada garantindo uma medida de referência para desconsiderar o peso do suporte Esse valor foi anotado na tabela para referências futuras Cuidados foram tomados para verificar os locais específicos utilizados para medir o comprimento da mola estabelecendo um padrão seguido em todas as medições subsequentes para garantir consistência nos resultados Prosseguindo massas acopláveis foram adicionadas ao suporte e o novo comprimento da mola foi medido Este procedimento foi repetido para diferentes massas obtendo entre 5 e 7 medidas adicionais Todas as medidas foram sistematicamente anotadas na tabela mantendo a ordem das massas acopláveis e seus respectivos comprimentos Durante cada medição foram registrados precisamente os valores obtidos na tabela Esses registros serão fundamentais para uma análise subsequente consistente permitindo a determinação precisa da Constante Elástica da Mola Helicoidal Toda essa coleta de dados e análises se revelam essenciais para uma compreensão teórica e experimental mais aprofundada das propriedades elásticas da mola em questão Através desses métodos será possível extrair informações valiosas sobre o comportamento da mola sob diferentes cargas contribuindo para o entendimento mais amplo dos princípios da física experimental e suas aplicações práticas 32 Resultados e Análises Massa g Força Peso N Comprimento da Mola cm Comprimento da Deformação da Mola cm Constante Elástica da Mola k Nm 4997 04902 151 148 33121 9983 09793 151 170 57605 14972 14687 151 196 74933 19965 19585 151 220 89022 24955 24480 151 245 99918 Para resolver este problema consideramos g981m s 2 Assim para calcular a Força Peso temos a seguinte relação matemática FPm g Dessa maneira como o sistema está em equilíbrio temos que FPF E ou seja a força peso se iguala a força elástica da mola Por isso conseguimos encontrar a Constante Elástica da Mola k Com essa ideia definimos a Lei de Hooke FEk d FEFPk x Mediante ao exposto a fim de determinar o coeficiente da Mola Helicoidal podemos utilizar recursos gráficos 10 Gráfico entre F N x d m 10 Gráfico entre F N x d m 10 Gráfico entre F N x d m 10 Gráfico entre F N x d m Portanto como observado no gráfico F x d temos uma relação linear entre tais grandezas o que se justifica pela Lei de Hooke Além disso por meio do software SciDavis tornase possível calcular a Constante Elástica da Mola k em que resulta em k200499 Nm No contexto do experimento realizado para determinar a constante elástica de uma mola helicoidal o valor de A FAB x pode ter se revelado diferente de zero devido a uma série de fatores O termo representa a força inicial necessária para deformar a mola mesmo na ausência de uma carga externa x0 Esse valor inicial pode ser influenciado por diversos aspectos como a rigidez intrínseca da mola possíveis imperfeições na fabricação ou até mesmo deformações residuais que a mola possa ter sofrido anteriormente Além disso fatores ambientais como a temperatura e a umidade podem desempenhar um papel na determinação do valor de A pois afetam as propriedades mecânicas do material da mola A presença de atrito ou de tensões residuais também pode contribuir para um valor não nulo de A uma vez que esses elementos influenciam a resistência inicial oferecida pela mola antes mesmo de começar a ser deformada Portanto é importante considerar que embora o modelo teórico idealize como sendo A igual a zero no contexto experimental é comum encontrar valores diferentes devido a diversos fatores que afetam o comportamento real da mola Essas variações são fundamentais para uma compreensão mais abrangente do sistema físico estudado e para a interpretação precisa dos resultados experimentais obtidos 40 CONCLUSÃO O experimento revelou uma relação linear consistente entre a força aplicada e o deslocamento da mola validando a Lei de Hooke O gráfico linear demonstrou claramente a influência da carga no estiramento da mola A inclinação da reta no gráfico equivalente à Constante Elástica k foi determinada com precisão Esse coeficiente não apenas forneceu um valor numérico para a rigidez da mola mas também evidenciou sua capacidade de resistir à deformação A determinação da Constante Elástica por meio do coeficiente angular da reta se mostrou uma abordagem eficaz contribuindo significativamente para a compreensão prática e teórica dos princípios fundamentais da elasticidade em materiais 50 ANEXOS Figura 20 Foto do experimento Figura 20 Foto do experimento Figura 20 Foto do experimento Figura 20 Foto do experimento Figura 20 Foto do experimento Figura 20 Foto do experimento