9 - LANÇAMENTO DE PROJÉTIL 1 FEX 1001 Objetivos Vericar a cinemática do movimento de um projétil. Determinar a velocidade de lançamento de um projétil, tendo medido o seu alcance para diferentes alturas de lançamento. Vericar que a trajetória do movimento é parabólica. 2 Teoria Quando lançamos um pequeno objeto, como uma pedra, observamos que seu movimento pode ser descrito como dois movimentos retilíneos independentes: um na vertical e um na horizontal. Ambos os movimentos estão sujeitos a ação das forças peso e resistência do ar. Considerando uma situação na qual o ar esteja em repouso em relação ao solo (sem vento) esta força de resistência atua na direção contrária ao movimento, enquanto a força peso atua na direção vertical e para baixo. Se a distância de lançamento for relativamente pequena, poderemos desconsiderar o movimento de rotação da Terra, e se o objeto lançado não for leve o suciente para sentir a força de resistência do ar, poderemos, com boa aproximação, considerar o movimento horizontal como um movimento retilíneo e uniforme. Então, os dois movimentos independentes são: um movimento retilíneo uniforme (MRU) na direção ox e um movimento uniformemente acelerado (MRUV) na direção oy . Pelas equações da cinemática podemos escrever x (2.1) = xo + vox t , 2 y = yo + voy t + at 2 (2.2) , conhecidas como equações paramétricas da trajetória do projétil. Nestas equações (x, y ) são as coordenadas1 do projétil e dão a sua posição num dado instante, medidas em relação a algum sistema de referência. O valor do par (xo , yo ) corresponde a posição inicial de lançamento do projétil, medido no mesmo sistema de referência. Como o projétil é lançado como velocidade diferente de zero e numa direção qualquer, então (vox , voy ) são os componentes deste vetor velocidade inicial. Estes componentes são dados em termos do módulo da velocidade inicial, Vo , e do ângulo de lançamento θo , ambos mostrados na gura 2.1 abaixo. y v oy vo θο yo 0 Figura 2.1: v ox x xo Diagrama ilustrativo do lançamento de um projétil. Os componentes do vetor velocidade inicial são vox = Vo cosθo e voy = Vo senθo . A posição inicial é marcada pelo par (xo , yo ) em relação à origem O. 3 Descrição do Experimento O equipamento utilizado neste experimento é um dispositivo de lançamento, montado sobre uma placa suporte na qual podem ser escolhidas diferentes alturas e diferentes ângulos para o lançamento da bola. Também podem ser escolhidas diferentes velocidades de lançamento através da elongação de uma mola, que se encontra no interior do disparador. Medindo-se o alcance e a altura de voo, pode-se determinar a velocidade de lançamento da bola. A gura 3.1 abaixo ilustra o aparato experimental. Observe que algumas medidas já estão indicadas na gura para a devida escolha do sistema de referência. As alturas de lançamento são, medidas de baixo para cima a partir da base de lançamento, 50 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm e 300 mm, e correspondem a altura de lançamento do centro da esfera. 1 O ponto (x, y ) também pode ser representado por (x(t), y(t)) para reforçar a informação que estas coordenadas estão parametrizadas pelo tempo. O ponto inicial (xo , yo ) ca representado por (x(t = 0), y(t = 0)), ou simplesmente, (x(0), y(0)). 1 1 xm 108 mm h = 200mm 2 3 Figura 3.1: Aparato experimental: 1-dispositivo de lançamento (disparador); 2-posição de lançamento da bola; 3-papel comum e papel carbono. Observe que, ao tocar a mesa, o centro da esfera encontra-se a altura r (raio da esfera) acima da mesa. 4 Equipamento/Material 1. Papel branco e papel carbono. 2. Trena. 3. Fita adesiva. 4. Esfera, lançador e bastão. 5. Torre de lançamento. 5 Procedimento Experimental (a) Coloque o dispositivo de lançamento inicialmente na inclinação de zero grau e escolha um sistema de referência am de medir, neste sistema, a altura inicial de lançamento, a altura nal e o alcance do centro da esfera. (b) Lance a bola para cada uma das cinco alturas de lançamento (50 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm e 300 mm medidas a partir da base de lançamento) medindo para cada uma delas o alcance da bola e anotando todos os dados na tabela da folha de questões. Ou seja, para cada lançamento, indique a posição inicial (xo, yo ) do centro da esfera e sua posição nal (x, y) completando a tabela. (c) Responda às questões da folha de relatório. 2 FEX 1001 9 - LANÇAMENTO DE PROJÉTIL Indicar todas as alturas e todos os alcances em centímetro. Use g = 9, 81 m/s2 x1o = x1 = h1 = 50, 0mm y1o = y1 = x2o = x2 = h2 = 100, 0mm y2o = y2 = x3o = x3 = x4o = x4 = h4 = 200, 0mm y4o = y4 = x5o = x5 = h5 = 300, 0mm y5o = y5 = h3 = 150, 0mm y3o = y3 = 1. Com base no experimento e na escolha das grandezas físicas que foram medidas (altura de lançamento H e alcance R), responda qual é a variável independente e qual é a variável dependente, justicando sua resposta. 2. Observando que R = x − xo e H = y − yo , complete a tabela abaixo. R1 = h1 = 50, 0mm H1 = R4 = R2 = h4 = 200, 0mm H4 = h2 = 100, 0mm H2 = R5 = R3 = h5 = 300, 0mm H5 = h3 = 150, 0mm H3 = 3. Sabendo que a relação entre as grandezas envolvidas, R e H , é dada por R2 = − equação mostrando claramente os coecientes angular e linear da reta. 2vo2 H , linearize esta g 4. Com base na sua linearização, trace um gráco linear em papel adequado e obtenha, a partir do seu gráco, a velocidade inicial de lançamento, vo , da esfera. Mostre todos os cálculos com clareza. 5. Calcule o erro percentual no valor obtido para vo com relação ao valor fornecido pelo fabricante (vo = 3, 53 m/s). 6. Escreva a equação do erro propagado na velocidade lançamento e calcule o correspondente Valor. Para isto, observe que ∆R = ∆H = 0, 0005m e conside g como constante de precisão innita. 3