Atividade Prática de Física: Estática e Cinemática

Arthur Ernandes Torres da Silva Física Estática e Cinemática Física Estática e Cinemática 1 Todos os campos do Formulário Padrão deverão ser devidamente preenchidos 2 Esta é uma atividade individual Caso seja identificado plágio inclusive de colegas a atividade será zerada 3 Cópias de terceiros como livros e internet sem citar a fonte caracterizamse como plágio sendo o trabalho zerado 4 Ao utilizar autores para fundamentar seu Projeto Integrador os mesmos devem ser referenciados conforme as normas da ABNT 5 Ao realizar sua atividade renomeie o arquivo salve em seu computador anexe no campo indicado clique em responder e finalize a atividade 6 Procure argumentar de forma clara e objetiva de acordo com o conteúdo da disciplina Formatação exigida documento Word Fonte Arial ou Times New Roman tamanho 12 Equilíbrio de corpos Essa atividade prática permite que você tenha um embasamento teórico e prático a respeito da física estática Com auxílio do simulador da plataforma PheT Colorado iremos desenvolver um sistema com massas conhecidas e desconhecidas A partir disso usando o conceito de torque vamos calcular o valor de cada uma das massas Portanto os objetivos dessa atividade são 1 Aplicar o conceito de Torque 2 Determinar como calcular o valor de uma massa desconhecida pelo princípio de equilíbrio de rotação Caro a aluno a Na presente atividade prática você irá utilizar um simulador virtual desenvolvido na Universidade de Colorado Boulder fundada em 2002 pelo ganhador do prêmio Nobel Carl Wieman O ambiente chamado PhET do inglês Physics Education Technology tem como objetivo promover simulações de matemática física química biologia e outras áreas da ciência O site está disponível em httpsphetcoloradoeduptBR Esse ambiente virtual permite que você estude de forma interativa outros assuntos abordados em nossa disciplina de física estática e cinemática VÍDEOPOCKET LEARNING EMBASAMENTO TEÓRICO Suponha que você esteja em uma gangorra com uma outra pessoa de mesma massa do outro lado Isso significa que se você e seu amigo de mesmo peso estão na mesma posição em relação ao ponto de rotação da gangorra o sistema permanecerá em equilíbrio Contudo imagine agora que um de vocês senta mais longe do ponto de rotação quase na ponta de um dos lados da gangorra Logo o brinquedo irá rotacionar para o lado deste situado mais longe Mas por que isso Existe uma grandeza capaz de medir a eficiência de uma força em produzir rotação em um corpo esse parâmetro físico se chama torque e é dado matematicamente por 𝑇 𝐹 𝑑 Porém como a rotação tem dois sentidos vamos definir que a força que causa rotação no sentido horário irá definir um torque positivo Por outro lado se houver uma força que causa uma rotação no sentido antihorário o torque será classificado como negativo Portanto a condição para o equilíbrio de rotação é 𝑇 0 Fonte Bôas Doca e Biscuola 2012 Escaneie ou clique sobre o QR Code Materiais de consumo Descrição Observação Acesso à internet Recomendase que a prática seja feita em um computador Softwareaplicativosimulador Sim x Não Em caso afirmativo qual Pago Não Pago x Tipo de Licença Não se aplica Descrição do softwareaplicativosimulador Caso não seja necessário o uso do recurso preencher com Não se aplica NSA Kit Laboratório individual de atividade prática Sim Não x Em caso afirmativo qual Pago Não Pago Tipo de Licença Não se aplica Descrição dos materiais do kit Caso não seja necessário o uso do recurso preencher com Não se aplica NSA Verifique antecipadamente se o site que você está utilizando corresponde ao indicado neste material de modo que sua navegação na internet seja segura Além disso vale destacar a importância da criação de um ambiente ergonômico para aplicação desta prática virtual Para tanto elementos como iluminação ventilação e controle de ruídos devem ser bem planejados reduzindo assim os efeitos físicos e psicológicos de uma má organização O ambiente de trabalho ergonômico deve priorizar o conforto e permitir ajustes conforme a necessidade do alunoa por isso atentese também aos cuidados com cadeiras mesas e dispositivos eletrônicos utilizados na atividade VÍDEO POCKET LEARNING PASSO A PASSO DA PRÁTICA Prezado a aluno a para realizar essa atividade prática siga as instruções abaixo 1 Abra seu navegador da internet e acesse o site httpsphetcoloradoeduptBR Escaneie ou clique sobre o QR Code 2 Clique na opção Simulações e depois em Física 3 Procure pela simulação Balanço Depois clique na mesma 4 Clique no botão play para rodar a simulação 5 Selecione Laboratório de Equilíbrio 6 Pronto agora você está no ambiente de simulação 7 Vamos entender a função de cada item Opção 1 Mostra o valor das massas conhecidas a força de cada objeto e o nível Opção 2 Mostra réguas ou a posição em números de cada objeto Em nossa prática deixe posicionado a opção Réguas Opção 3 Nesse quadro há as massas que serão usadas em nossa prática Clique algumas vezes na flecha na direita até encontrar massas em formato de presente chamadas de Objetos Misteriosos Opção 4 A simulação começa com a opção de dois pilares de cada lado Aperte para mudar deixando no estilo gangorra 8 A primeira etapa da prática é calcular a massa do Objeto Misterioso A para isso a sugestão é posicionar a massa de 10kg a 1 metro do eixo de rotação e o objeto misterioso a 05m do eixo Note que o sistema está em equilíbrio Portanto usando a somatória dos torques igual a zero é possível calcular a massa de A 9 Na sequência determine a massa do Objeto Misterioso B Para isso a sugestão é deixar o objeto A à 05m do eixo de rotação e o corpo B a 2 metros 10 Com o resultado do item 8 e 9 responda a Qual o valor de 𝑀𝐴 𝑀𝐵 b Sabendo que 𝑀𝐶 3𝑀𝐵 qual o valor de 𝑀𝐶 c Verifique o resultado da alternativa b usando a gangorra como uma balança de rotação Ou seja busque uma massa que equilibre o valor de 𝑀𝐶 11 Todos os itens exceto a letra a e b do exercício 10 devem conter um print da tela do simulador Caro a aluno a Você deverá entregar o Relatório tipo Apresentação Simples Power point Para isso faça o download do template disponibilizado junto a este roteiro e siga as instruções contidas no mesmo Vídeo sobre Estática Professor Boaro httpswwwyoutubecomwatchvjQ131Wc8E1I Vídeo sobre Equilíbrio de corpo extenso rígido Física com Douglas Gomes httpswwwyoutubecomwatchvR4Nvnz8e0A Força de Atrito Essa atividade prática permite que você tenha um embasamento teórico e prático a respeito da física estática Com auxílio do simulador da plataforma PheT Colorado vamos aplicar alguns cálculos como por exemplo a segunda lei de Newton e verificar a atuação da força de atrito estática e cinética Sendo assim os objetivos dessa atividade prática são 1 Aplicar a segunda lei de Newton em um sistema com força de atrito presente 2 Determinar o coeficiente de atrito cinético 3 Calcular o coeficiente de atrito estático Caro a alunoa Na presente atividade prática você irá utilizar um simulador virtual desenvolvido na Universidade de Colorado Boulder fundada em 2002 pelo ganhador do prêmio Nobel Carl Wieman O ambiente chamado PhET do inglês Physics Education Technology tem como objetivo promover simulações de matemática física química biologia e outras áreas da ciência O site está disponível em httpsphetcoloradoeduptBR Esse ambiente virtual permite que você estude de forma interativa outros assuntos abordados em nossa disciplina de física estática e cinemática VÍDEOPOCKET LEARNING EMBASAMENTO TEÓRICO Provavelmente você já deve feito mudanças em casa seja apenas deslocar um objeto no mesmo cômodo ou durante a mudança de uma residência Provavelmente a parte mais complicada desse processo é mudar grandes corpos como por exemplo guardaroupas geladeiras fogão entre outros Para movimentar um armário grande por exemplo você coloca nos pés do móvel um pano ou um pedaço de papelão para não arranhar a superfície e então começa a empurrar Relembrando desse momento você pode notar que ao começar aplicar uma determinada força o armário não se movimenta até que chega um momento de muito esforço que o objeto entra em movimento Significa que o armário apoiado ao chão ofereceu uma resistência a força externa que buscava colocálo em movimento O nome dessa força é a força de atrito 𝐹𝑎𝑡 e como é essa força de atrito responsável por manter o corpo parado então será classificada como força de atrito estática 𝐹𝑎𝑡𝑒 Figura 1 Rugosidade de uma superfície Fonte Bôas Doca e Biscuola 2012 Escaneie ou clique sobre o QR Code Microscopicamente o que é essa força de atrito Toda superfície mesmo que seja bem lisa possui algumas imperfeições e essas pequenas irregularidades da superfície interagem entre si Quando mais rugoso é a superfície maior é o atrito Um caso conhecido é ao assistir uma corrida de automobilismo Quando começa a chover os carros trocam os pneus os quais são designados para pista molhada ou seja um pneu com maior aderência Outra situação hipotética é essa representada na figura a baixo Figura 2 Borracha em uma superfície inclinada Fonte Bôas Doca e Biscuola 2012 Em uma mesa apoiamos uma borracha em cima de uma régua Ao inclinar a régua gradativamente a borracha permanece parada fato que não aconteceria se no lugar dela estivesse uma caneta Sendo assim o que tenderia a puxar a borracha para baixo é uma componente da sua força peso mas o que não permite o movimento é a força de atrito estática Figura 3 Força de atrito atuando em uma borracha Fonte Bôas Doca e Biscuola 2012 Logo a força de atrito aponta a direção oposta a força que deve movimentar o objeto Então quando a borracha entra em movimento Quando a força 𝐹 supera a força de atrito estática 𝐹𝑎𝑡𝑒 Como calculamos a força de atrito estática Da seguinte forma Em que 𝜇𝑒 é o coeficiente de atrito estático e 𝑁 a normal Contudo o que acontece quando a força de atrito estática não segura mais o corpo Quando a força gradativamente aumenta até que a borracha entra em movimento Essa força momentânea que aplicamos capaz de causar o começo do movimento ou seja a iminência do movimento possui um nome especial é chamada de força de destaque A partir desse momento em que o corpo ganha movimento ele sai do estado estático e entra no cinético de movimento então para de atuar sobre o mesmo a força e atrito estática e passa a atuar a força de atrito cinética 𝐹𝑎𝑡𝑐 Um detalhe muito importante é que a força de atrito cinética é sempre maior que a força de atrito estática Por isso é mais fácil empurrar e manter um corpo grande em movimento do que tirar o mesmo do repouso O cálculo da força de atrito cinética é 𝐹 𝑎𝑡𝑐 𝜇𝑐 𝑁 Na qual 𝜇𝑐 é o coeficiente de atrito cinético Veja que a equação é a mesma com a diferença dos coeficientes os quais podem se relacionar da seguinte forma 𝜇𝑒 𝜇𝑐 Logo 𝐹 𝑎𝑡𝑒 𝐹 𝑎𝑡𝑐 Fonte Bôas Doca e Biscuola 2012 Materiais de consumo Descrição Observação Acesso à internet Recomendase que a prática seja feita em um computador Softwareaplicativosimulador Sim x Não Em caso afirmativo qual Pago Não Pago x Tipo de Licença Não se aplica Descrição do softwareaplicativosimulador Caso não seja necessário o uso do recurso preencher com Não se aplica NSA Kit Laboratório individual de atividade prática Sim Não x Em caso afirmativo qual Pago Não Pago Tipo de Licença Não se aplica Descrição dos materiais do kit Caso não seja necessário o uso do recurso preencher com Não se aplica NSA Verifique antecipadamente se o site que você está utilizando corresponde ao indicado neste material de modo que sua navegação na internet seja segura Além disso vale destacar a importância da criação de um ambiente ergonômico para aplicação desta prática virtual Para tanto elementos como iluminação ventilação e controle de ruídos devem ser bem planejados reduzindo assim os efeitos físicos e psicológicos de uma má organização O ambiente de trabalho ergonômico deve priorizar o conforto e permitir ajustes conforme a necessidade do alunoa por isso atentese também aos cuidados com cadeiras mesas e dispositivos eletrônicos utilizados na atividade VÍDEO POCKET LEARNING PASSO A PASSO DA PRÁTICA Prezado a aluno a para realizar essa atividade prática siga as instruções abaixo 1 Abra seu navegador da internet e acesse o site httpsphetcoloradoeduptBR Escaneie ou clique sobre o QR Code 2 Clique na opção Simulações e depois em Física 3 Procure pela simulação Forças e Movimento Noções Básicas Depois clique na mesma 4 Clique no botão play para rodar a simulação 5 Na sequência você deve clicar na terceira opção de modo simulação intitulada Atrito 6 Pronto agora você está no simulador de Forças e Movimento Noções Básicas 7 Vamos entender o que é cada opção da simulação Opção 1 Nesse quadro consta alguns itens que podem auxiliar na simulação para nossa atividade selecione todos os quadrados mas não altere nada na opção de atrito Opção 2 Usando o cursor do mouse você pode movimentar o objeto empurrando o boneco em direção a caixa Opção 3 e 4 Essas duas opções mostram alguns objetos e quando selecionado o quadrado Valores na opção 1 revela a massa de cada objeto Em nossa prática vamos começar usando o cesto de lixo 100kg depois usaremos o objeto desconhecido que é o presente Opção 5 Nessa opção podemos regular a intensidade da força aplicada Por meio dessa opção que vamos identificar o valor da força de destaque 8 Nossa atividade será dividida em algumas etapas Portanto siga a rigor cada procedimento a Deixe as seguintes opções marcadas e coloque a lata de lixo como objeto no centro Eleve a força do boneco até atingir o início do movimento A força que faz com que atue a força de atrito cinética no objeto é de 251 N Junto a esse resultado a força de atrito cinética aparece também marcando 188 N Portanto sabendo desses dados utilize a segunda lei de Newton para determinar a aceleração b Sabendo do valor da força de atrito registrada pelo simulador calcule o coeficiente de atrito cinético c Admitindo que a força de destaque é aquele número que antecede a força que consegue movimentar o objeto determina o coeficiente de atrito estático uma vez que nessa situação a força de atrito estática é igual a força de destaque d Substitua a lata de lixo pelo objeto desconhecido no caso o presente Aumentando gradativamente a força do boneco sobre o presente observamos que o valor da força que antecede o movimento do corpo é 126N Sendo assim já calculado no item anterior o coeficiente de atrito estático determine a massa do objeto desconhecido Caro a aluno a Você deverá entregar o Relatório tipo Apresentação Simples Power point Para isso faça o download do template disponibilizado junto a este roteiro e siga as instruções contidas no mesmo Vídeo sobre força de atrito Chama o Físico httpswwwyoutubecomwatchvhk9Oy3rXNno Vídeo sobre força de atrito Me Salva httpswwwyoutubecomwatchv9QvFcJEaMhQ Energia cinética e potencial gravitacional Essa atividade prática permite que você tenha um embasamento teórico e prático a respeito da física mecânica Com o auxílio do simulador PheT Colorado vamos aplicar uma situação em que há a conservação da energia mecânica ou seja um sistema que não leva em conta forças dissipativas Desse modo os objetos da atividade prática são 1 Determinar a velocidade tomando como referência um valor de altura específico 2 Calcular a energia cinética para uma dada massa 3 Usar a conservação da energia para calcular o valor da velocidade para qualquer valor de altura Caro a alunoa Na presente atividade prática você irá utilizar um simulador virtual desenvolvido na Universidade de Colorado Boulder fundada em 2002 pelo ganhador do prêmio Nobel Carl Wieman O ambiente chamado PhET do inglês Physics Education Technology tem como objetivo promover simulações de matemática física química biologia e outras áreas da ciência O site está disponível em httpsphetcoloradoeduptBR Esse ambiente virtual permite que você estude de forma interativa outros assuntos abordados em nossa disciplina de física estática e cinemática VÍDEOPOCKET LEARNING EMBASAMENTO TEÓRICO Existe uma energia que é definida com base no movimento do corpo essa energia é chamada de energia cinética Matematicamente ela é escrita como 𝐸𝐶 𝑚 𝑣2 2 Em que 𝐸𝐶 é a energia cinética 𝑚 é a massa e 𝑣 a velocidade Vamos pensar no seguinte exemplo Você pega uma pedra e solta ela da linha do seu ombro provavelmente a pedra cai e chega ao solo causando um determinado impacto Por outro lado se a mesma pedra for solta de um prédio quase 20 vezes mais alto a força do choque da pedra com o solo é bem maior podendo levar o objeto a despedaçar inteiro Veja portanto que a energia adquirida pela pedra varia com a altura chamada de energia potencial gravitacional Matematicamente é escrita como 𝐸𝑃𝐺 𝑚 𝑔 ℎ Em que 𝐸𝑃𝐺 é a energia potencial gravitacional 𝑚 a massa 𝑔 a gravidade local e ℎ a altura que for solta o corpo Ademais assim como a energia cinética a potencial gravitacional também é dada em Joules Escaneie ou clique sobre o QR Code Suponha que durante um jogo de futebol uma cobrança de falta é feita e o jogado chuta a bola a qual descreve a seguinte trajetória Figura 1 Conversão de energia cinética em energia potencial gravitacional Fonte Bôas Doca e Biscuola 2012 Desprezando os efeitos de atrito com o ar e o gramado a bola sai com uma certa velocidade do ponto A e conforme sobe descrevendo um arco de parábola vai perdendo gradativamente sua velocidade até chegar no ponto mais alto B em que a velocidade é nula pois é um ponto de reversão em que a bola deixa de subir e retorna a descer No instante em que a bola deixa o ponto B e passa a cair de volta para o ponto C a bola começa o movimento com uma velocidade nula e chega no ponto final com a mesma velocidade que partiu do ponto A Ou seja podemos pensar constantemente em um equilíbrio de duas energias a cinética e a potencial gravitacional Ponto A 𝐸𝐶 𝑚á𝑥 e 𝐸𝑃𝐺 0 Ponto B 𝐸𝐶 0 e 𝐸𝑃𝐺 𝑚á𝑥 Ponto C 𝐸𝐶 𝑚á𝑥 e 𝐸𝑃𝐺 0 Veja que a energia cinética é máxima quando adquire a velocidade máxima permitida no problema e que a energia potencial gravitacional é máxima quando a bola atinge a maior altura possível Ademais vale ressaltar que ao longo do caminho uma energia é transformada na outra Portanto na metade da altura ainda a bola tem uma certa velocidade e também já subiu uma certa altura então ela possui metade das duas energias No início a bola não tem altura e muita velocidade logo muita energia cinética e sem potencial gravitacional depois toda a energia do sistema é transformada em gravitacional e a cinética se anula pois não tem velocidade ponto B de reversão e na sequência o sistema ganha velocidade aumenta 𝐸𝐶 e perde altura 𝐸𝑃𝐺 diminui De tal maneira que como é um sistema conservativo ou seja não possui forças que dissipam energia como a força de atrito a soma da 𝐸𝐶 com a 𝐸𝑃𝐺 resulta sempre no mesmo valor Sendo assim Em um sistema conservativo a energia mecânica total é sempre constante 𝐸𝑀 𝐸𝐶 𝐸𝑃𝐺 𝑐𝑡𝑒 Em que 𝐸𝑀 é a energia mecânica que é igual a constante 𝑐𝑡𝑒 Fonte Bôas Doca e Biscuola 2012 Materiais de consumo Descrição Observação Acesso à internet Recomendase que a prática seja feita em um computador Softwareaplicativosimulador Sim x Não Em caso afirmativo qual Pago Não Pago x Tipo de Licença Não se aplica Descrição do softwareaplicativosimulador Caso não seja necessário o uso do recurso preencher com Não se aplica NSA Kit Laboratório individual de atividade prática Sim Não x Em caso afirmativo qual Pago Não Pago Tipo de Licença Não se aplica Descrição dos materiais do kit Caso não seja necessário o uso do recurso preencher com Não se aplica NSA Verifique antecipadamente se o site que você está utilizando corresponde ao indicado neste material de modo que sua navegação na internet seja segura Além disso vale destacar a importância da criação de um ambiente ergonômico para aplicação desta prática virtual Para tanto elementos como iluminação ventilação e controle de ruídos devem ser bem planejados reduzindo assim os efeitos físicos e psicológicos de uma má organização O ambiente de trabalho ergonômico deve priorizar o conforto e permitir ajustes conforme a necessidade do alunoa por isso atentese também aos cuidados com cadeiras mesas e dispositivos eletrônicos utilizados na atividade VÍDEO POCKET LEARNING PASSO A PASSO DA PRÁTICA Prezado a aluno a para realizar essa atividade prática siga as instruções abaixo 1 Abra seu navegador da internet e acesse o site httpsphetcoloradoeduptBR Escaneie ou clique sobre o QR Code 2 Clique na opção Simulações e depois em Física 3 Procure pela simulação Forças e Movimento Energia na Pista de Skate Básico Depois clique na mesma 4 Clique no botão play para rodar a simulação 5 Na sequência você deve clicar na terceira opção de modo simulação intitulada Intro 6 Pronto agora você está no simulador de Forças e Movimento Energia na Pista de Skate Básico 7 Vamos entender o que é cada opção da simulação Opção 1 Nesse quadro você pode ter uma representação em forma de barras e setorial da alternância entre energia cinética e potencial gravitacional Além disso mostra também a grade e um velocímetro sem valores em escala Em nossa atividade vamos usar apenas a opção grade Não utilize a opção velocidade uma vez que os dados não correspondem aos registrados pelo velocímetro 8 Com a opção Mostrar Grade selecionada eleve o skatista até a posição de 5m de altura 1 Determine a velocidade que ele atinge no ponto mais baixo da trajetória Para isso utilize a conservação da energia mecânica Em outras palavras 𝐸𝑀𝑖 𝐸𝑀𝑓 Lembrese que energia mecânica é a soma das energias cinética com potencial gravitacional Dependendo da posição uma ou outra podem valer zero 2 Calcule a velocidade do skatista a uma altura de 2 metros Para isso compare a energia mecânica do ponto mais baixo da trajetória com a da altura de ℎ 2𝑚 3 Assumindo que a massa do skatista seja de 60 kg qual é a energia cinética do mesmo quando atinge o ponto mais baixo da trajetória saindo de uma altura de 5 metros Caro a aluno a Você deverá entregar o Relatório tipo Apresentação Simples Power point Para isso faça o download do template disponibilizado junto a este roteiro e siga as instruções contidas no mesmo Vídeo sobre energia mecânica Professor Boaro httpswwwyoutubecomwatchvcyRn0HlaTM Vídeo sobre energia mecânica e trabalho Descomplica httpswwwyoutubecomwatchvKOR2BjJlhTw