ACTIVIDADE LABORATORIAL – FÍSICA 10.º ANO – ALF 2.3 O ATRITO E A VARIAÇÃO DE ENERGIA MECÂNICA O que se pretende Observar o efeito da força de atrito no movimento de um corpo que parte do repouso, desce um plano inclinado e desloca‐se em seguida sobre um plano horizontal. Determinar o valor da energia dissipada devido à ação da força de atrito no referido movimento. Averiguar se a energia dissipada depende da altura em que o carro inicia o movimento. Para tal vamos utilizar um carro que se irá movimentar sobre uma calha flexível, a qual é suportada numa das extremidade por um elevador, permitindo assim variar a altura a que o corpo inicia o movimento e observar o respetivo efeito. A fim de observarmos o efeito da força de atrito no movimento e determinarmos o valor da energia dissipada (quantificar a variação da energia mecânica) vamos precisar de determinar a velocidade instantânea do carro próximo do final do percurso. Vamos então recorrer a um sensor de passagem (fotogate) conectado a um digitímetro. O sensor de passagem é constituído por um emissor e um recetor de radiação na gama do infravermelho. Quando um objeto passa no sensor interrompe o feixe infravermelho que chegaria ao recetor, e é então transmitido um sinal ao digitímetro que permite a contagem do tempo que o objeto demora a passar no sensor. A velocidade instantânea de um objeto é então calculada a partir do valor da leitura do digitímetro relativo ao intervalo de tempo que esse demora a passar no sensor. Verificar significados Forças dissipativas que actuam no carrinho durante o movimento FR
Fa
Fg
1 ACTIVIDADE LABORATORIAL – FÍSICA 10.º ANO – ALF 2.3 FR
Fa
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Desprezando a resistência do ar, a força de atrito é a única força dissipativa que atua no carro. Velocidade final se houvesse conservação da energia mecânica 1
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Variação da energia mecânica e energia dissipada devido à acção da força de atrito 1
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Velocidade instantânea Define‐se velocidade, como o limite para que tende o quociente Δr/Δt quando o intervalo de tempo Δt tende para um valor muito pequeno próximo do valor zero. É uma grandeza vetorial, que representa o modo como variam as posições, num intervalo de tempo muito curto, na vizinhança desse instante. 2 ACTIVIDADE LABORATORIAL – FÍSICA 10.º ANO – ALF 2.3 Como a largura da bandeira do carro é muito pequena então os correspondentes intervalos de tempo detetados pelo sensor aquando da sua passagem através do mesmo, e indicados pelo digitímetro, são também muito pequenos, permitindo assim calcular velocidade instantânea por aproximação com um erro desprezável. í
Lista de material e reagentes Descrição Quantidade
Carro com bandeira 1 Digitímetro 1 Fotogate 1 Elevador 1 Fios de ligação 1 Calha flexível 1 Suporte 1 Régua 1 Balança 1 Procedimento 1. Pesar o carrinho com a bandeira e registar o valor da sua massa. 2. Efetuar uma montagem conforme ilustrado na figura abaixo. carro com bandeira digitímetro
fotogate
elevador Figura 1 3 ACTIVIDADE LABORATORIAL – FÍSICA 10.º ANO – ALF 2.3 3. Medir a altura a que se encontra o carrinho relativamente ao tampo da mesa e registar o seu valor. 4. Largar o carrinho, sem o empurrar para que parta do repouso. 5. Ler no digitímetro o intervalo que a bandeira do carro demora a passar no fotogate. Repetir até obter um conjunto de medidas relativas a três ensaios. 6. Repetir os passos 3. a 5. por forma a efetuar medições relativas a quatro alturas diferentes de inicio do movimento do carro. Resultados Tabela 1 Velocidade do carro e velocidade que se teria se não houvesse dissipação de energia em função da altura em que o carro inicia o movimento. Largura da bandeira do 0,1780,178 carro (m) Altura (m) 0,1850 0,1540 0,1220 0,0930 Tempo (s) 0,026
0,024
0,024
0,028
0,026
0,027
0,028
0,033
0,030
0,042
0,036
0,041
Valor médio do Velocidade Velocidade se não houvesse tempo (s) (m/s) dissipação de energia (m/s) 0,025 1,2 1,9 0,027 1,1 1,7 0,030 1,0 1,5 0,040 0,75 1,3 4 ACTIVIDADE LABORATORIAL – FÍSICA 10.º ANO – ALF 2.3 Tabela 2 Energia dissipada em função da altura em que o carro inicia o movimento. Massa do carro (kg) 0,178 Largura da Bandeira do carro (m) 0,300 Altura Tempo (m) (s) Valor Energia médio potencial do do tempo Velocidade (m/s) (s) 0,026 0,024 0,024 0,028 0,026 0,027 0,028 0,033 0,030 0,042 0,036 0,041 0,1850 0,1540 0,1220 0,0930 carro no início do movimento (J) Energia cinética do carro no plano horizontal (J) Energia dissipada (j) 0,025 1,2 0,32 0,13 0,19 0,027 1,1 0,27 0,11 0,16 0,030 1,0 0,21 0,089 0,12 0,040 0,75 0,016 0,050 0,034 5