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Saiba por que fazer um gráfico, como representar medidas em função de outras, escolher escalas adequadas e ajustar gráficos. Este documento explica passo a passo como criar gráficos razoáveis em papel com escalas lineares e logarítmicas, com exemplos e dicas para melhorar a leitura e a interpretação.
Tipologia: Notas de estudo
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Não perca as partes importantes!
Porque fazer um gráfico? É importante ter esta questão bem clara em mente porque é ela que evita cometermos a maioria dos enganos comuns observados em gráficos. Uma das maiores vantagens em relação aos dados de tabelas é que em um gráfico podemos observar diretamente um comportamento ou “lei” que nos permite generalizar e prever qual seria o resultado de medidas que nem foram feitas … e podemos usar isso para escrever equações matemáticas capazes de exprimir estas leis de maneira clara. Ou seja, através de um gráfico saímos de um caso discreto com poucos valores medidos e generalizamos o comportamento observado para um contínuo infinito de pontos! Mas para isso funcionar bem temos que ter certos cuidados. Uma das características mais importantes é que um gráfico deve ser autoexplicativo. Isso quer dizer que para entender a mensagem do gráfico não devemos ter que ler nada no texto… Neste contexto um gráfico precisa ter:
Para verificar se a deformação x de uma barra de metal ao ser submetida a uma força de tração F segue o comportamento conhecido como lei de Hooke: F = K.x (onde K é definida como a constante de mola da barra) um estudante mediu alguns valores da deformação observada e da força aplicada (como no item 2.3.1 da prática 2 na apostila). Os dados obtidos são: x (mm) F (N) 9,0 1, 15,8 2, 22,0 2, 30,0 3, Como o comportamento que procuramos é: F = K.x , se fizermos um gráfico de F(x) e obtivermos a tendência a uma reta, o coeficiente desta reta será igual a K se colocarmos os valores de F no eixo Y e os valores de x no eixo X. Lembre-se que a equação de uma reta é (Δy/Δx ) = constante → y-y 0 = m.(x-xo) , ou y = m.x + B , onde a constante m = (Δy/Δx ) é o coeficiente angular e B = (y 0 -m.x 0 ) é o coeficiente linear (onde a reta cruza o eixo Y quando x=0). Vou exemplificar a construção deste gráfico usando o papel com escala quadriculada que eu fiz a partir de papel A4 branco seguindo as instruções que eu enviei por Whatsapp. Como o título, os nomes e unidades dos eixos são elementos óbvios a serem colocados vou me concentrar na escolha das escalas e orientação do papel. O papel tem 41 linhas verticais e 58 linhas horizontais (com a maior dimensão na vertical). Primeiro tenho que escolher se vou usar o papel na posição vertical (Portrait) ou na horizontal (Landscape). Para isso vou observar a faixa de valores das variáveis que vou plotar no eixo X e no eixo Y. Eixo X – os valores de x estão entre (9,0 – 30,0); Eixo Y – os valores de F estão entre (1,25 – 3,70). Como na lei de Hooke espera-se que uma força nula corresponda a uma deformação nula, o ponto (0,0) deveria fazer parte de nossa reta. Assim, vou incluir o ponto (0,0) – origem – no nosso gráfico (isso não é obrigatório e muitas vezes nem é possível sem destruir a escala!) para ver se os dados são compatíveis com isso. Como também gostaria de extrapolar (ver o que acontece) um pouco além dos pontos para valores maiores vou considerar os intervalos (0 – 35) para x, representado no eixo X e (0 – 4,0) para F, representado no eixo Y. 35 intervalos entre linhas ficariam bem para representar de 0 a 35 mm em X , enquanto 40 intervalos poderiam representar de 0 a 4,0N em Y. Como Y precisa de mais intervalos que X, escolherei fazer o gráfico na posição vertical (Portrait). Para não poluir muito os eixos com valores numéricos escolhi colocar uma marca a cada 5 intervalos para facilitar a leitura e colocação dos pontos. O gráfico obtido é mostrado a seguir.
Nesta figura foi tudo feito a tinta para facilitar a visualização, mas vocês devem fazer os pontos e a reta ajustada a lápis para facilitar eventuais correções. Os pontos devem ser representados por “bolinhas” grandes o suficiente para serem vistas facilmente e não serem confundidas com o ajuste. Os pontos usados para determinar o coeficiente angular não devem ser pontos experimentais, como já explicado, e devem estar o mais distantes possível, para diminuir o efeito das incertezas de leitura dos valores no gráfico. Uma boa maneira de deixar claro quais pontos foram usados é desenhar um círculo ao redor deles como mostrado. Os pontos escolhidos foram o ponto i = (0 ; 0,2) e o ponto f = (33 ; 4,0). Uma última dica é não esquecer as unidades usadas nas escalas. Aqui foi usado N no eixo Y e mm no eixo X, então o coeficiente angular m = Δy/Δx = (yf – yi) / (xf – xi) = 0,1152 N/mm. Como é mais comum usar unidades do S.I. (e vocês tem que fazer isso para calcular o módulo de Young) reescrevi o valor de m , fazendo a conversão de unidades, como m = 115,2 N/m. No caso mostrado a reta ajustada não “passou” pelo ponto (0,0). Isso significa que ou nossos dados tem algum problema (o que é bem possível já que fui eu quem os inventou…), ou a reta ajustada não é a melhor (isso não é verdade porque se tentarmos forçar a reta a passar pela origem a distribuição de pontos em volta da reta ficara ruim), ou os dados não correspondem a lei de Hooke (ou foram medidos de modo errado – erro grosseiro ).
Na escala linear, duas marcas no papel cuja diferença vale 10 estão a uma distância constante. Na escala logarítmica, duas marcas no papel cuja razão vale 10 estão a distância constante. Na segunda parte da Prática 2 analisamos a relação entre a deformação ( x ) e comprimento ( L ) da barra para uma força constante F. Da equação (4) da apostila podemos obter uma relação do tipo x = cte. L³. Os gráficos em escala log-log são muito úteis para verificar a existência de tais relações não lineares envolvendo expoentes. Quando plotamos os dados em um gráfico di-log é como se aplicássemos a função logaritmo dos dois lados da equação que relaciona as variáveis. Assim: x = C. Ln^ , C = constante, em um gráfico log-log fica: log(x) = log(C. Ln) ; log(x) = log(C) + log(Ln) = n.log(L) + log(C). Se colocarmos o log(x) no eixo Y e o log(L) no eixo X temos: Y = n.X + cte → que é a equação de uma reta com coeficiente angular n.
Vou exemplificar para os seguintes dados inventados: L (cm) x (mm) 19,0 1, 26,0 2, 35,0 4, 47,0 8, Em relação ao título do gráfico e aos eixos, os comentários são os mesmos feitos para o gráfico em escala linear. Uma grande diferença do gráfico log-log é que a definição da escala é muito mais fácil! O gráfico log-log não possui origem! Não existe o ponto (0,0) porque log(0)→-∞. A escala log é composta de décadas, cada uma iniciando em um valor que é 10x o valor do início da década anterior. Assim, a única liberdade que temos é definir o valor do início da primeira década! Se definirmos o início no valor 0,001, a próxima década começa em 0,01 e a outra em 0,1… E os traços dentro da 1a^ década, após o traço de 0,001, são obrigatoriamente 0,002; 0,003; 0,004; 0,005… até o 0,009 que antecede o 0,01, assim como os traços após o 0,01 serão 0,02; 0,03; 0,04; 0,05… Um erro comum é colocar 1 no início da primeira década e depois (1,1; 1,2…) ou (2; 3…) no início das próximas décadas ao invés de (10, 100, 1000,…) que seria o correto. Tome cuidado! No caso da tabela acima, e dos dados que vocês vão analisar, os valores de cada uma das variáveis cabem em uma única década: L fica no intervalo (10, 100) e x fica no intervalo (1, 10). Isso permite fazer o gráfico em um papel log-log com 1x1 década, mas se fosse uma análise “de verdade” seria muito ruim, porque ninguém “acreditaria” em um expoente obtido num log-log com menos de 3 décadas de dados (é que qualquer mudança pequena de inclinação muda muito o valor do expoente!). A seguir apresento o gráfico log-log obtido com a escala feita sobre o papel A4 em branco com as instruções quebra-galho enviadas por Whatsapp. No gráfico log-log existe outra maneira de obter o coeficiente angular que é mais fácil que no papel com escala linear. A partir dos dois pontos escolhidos para obter o coeficiente angular pode-se medir diretamente a altura Δy e a base Δx do triângulo retângulo (em vermelho) e dividir diretamente estes dois valores Δy/Δx (em cm!) para obter o valor do expoente. Observe que a inclinação no log-log é um expoente e este é uma grandeza adimensional, independente da unidade usada nos eixos (aqui no exemplo: mm versus cm que teriam que ser levados em conta num gráfico linear). Também podemos obter o valor da inclinação (ou expoente) fazendo a conta com as coordenadas dos pontos escolhidos, como no caso do gráfico em escala linear. Mas aqui precisamos lembrar que o que dá uma reta não é y por x , mas o log deles… Ou seja, o coeficiente angular é m = (log(yf) – log(yi)) / (log(xf)-log(xi)). Veja no gráfico como os valores obtidos com os dois métodos são próximos. Entretanto para os dados inventados o expoente é 2 e não 3 como espero que vocês obtenham na análise dos dados da segunda parte da Prática 2.