SUGESTÕES DE ATIVIDADES EXPERIMENTAIS, Notas de aula de Estática

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SUGESTÕES DE

ATIVIDADES

EXPERIMENTAIS

Aprestamos algumas sugestões de atividades para a realização de experimentos simples que podem ser usados para materializar os conteúdos de Física apresentados aos alunos.

Tais sugestões não devem ser entendidas como processo de ensino fechado, mas como uma possibilidade de construção de atividades experimentais em harmonia com as necessidades de concepção dos alunos.

VELOCIDADE MÉDIA

[1]

1 – INTRODUÇÃO [2]

No trânsito das cidades e rodovias nos deparamos com sinalizações que orientam acerca da velocidade máxima permitida para tráfego em determinadas ruas e estradas. O desrespeito a essas leis podem gerar multas e punições legais permitidas pelo código de trânsito brasileiro. Mas como é possível saber a velocidade de um automóvel, se situado fora do veículo não podemos observar o seu velocímetro? A velocidade média de um veículo é calculada levando em conta o espaço percorrido e o tempo levado para percorrer tal espaço. Ao dividirmos espaço por tempo obtemos a velocidade média do veículo. Existe em sistema (radares fixos ou móveis) que calcula a velocidade média do veículo em determinados trechos, ele funciona da seguinte forma: duas marcações - A e B - são feitas num trecho muito curto, o sistema marca o tempo que o veículo leva para ir de A até B. Dividindo a distância de A até B pelo tempo que o móvel levou para percorrer tal espaço, obtemos a velocidade média do veículo no percurso. Os radares possuem câmeras que registram os atos infracionais através de fotos digitais, flagrando o infrator no momento da transgressão.

2 – EXPLICAÇÃO DO EXPERIMENTO [3]

A velocidade média é determinada pela razão entre o espaço percorrido por um móvel e o intervalo de tempo necessário para percorrê-lo:

onde e. e são, respectivamente, as posições final e inicial, e e os tempos final e inicial. Quando o movimento ocorre no sentido da trajetória a velocidade média é positiva, pois nesse caso a variação do espaço também é positiva. Nesse caso o movimento é progressivo. Se o movimento ocorre no sentido oposto ao da trajetória a velocidade media é negativa, pois a variação do espaço também é negativo. Nesse caso o movimento é retrógado.

3 – OBJETIVO

Estudar experimentalmente o conceito de velocidade média.

4 – MATERIAIS

1 giz 1 trena ou fita métrica 1 cronômetro 1 carrinho elétrico (movido a pilha, por exemplo)

5 – EXPERIMENTO [3]

Com o giz faça duas marcas no chão, de modo a delimitar uma distância entre elas. Com a trena meça essa distância. Ligue o carrinho elétrico e, o cronometro, marque o tempo que o mesmo demora para percorrer essa distância. Repita algumas vezes o mesmo procedimento e determine a velocidade média do carrinho no percurso.

Figura 1 – Kit experimental: Velocidade Média. Fonte: Elaborada pelo autor

FOGUETE DE BALÃO

[1]

1 – Histórico [2]

Isaac Newton (25 de dezembro de 1642 – Calendário Juliano, equivalente a 4 de Janeiro de 1643 no Calendário Gregoriano — 31 de março de 1727) foi um cientista inglês, mais reconhecido como físico e matemático, embora tenha sido também astrônomo, alquimista, filósofo natural e teólogo. Sua obra Princípios Matemáticos da Filosofia Natural, é considerada uma das mais influentes na história da ciência. Publicada em 1687, esta obra descreve a lei da gravitação universal e as três leis de Newton, que fundamentaram a mecânica clássica. Ao demonstrar a consistência que havia entre o sistema por si idealizado e as leis de Kepler do movimento dos planetas, foi o primeiro a demonstrar que os movimentos de objetos, tanto na Terra como em outros corpos celestes, são governados pelo mesmo conjunto de leis naturais. O poder unificador e profético de suas leis era centrado na revolução científica, no avanço do heliocentrismo e na difundida noção de que a investigação racional pode revelar o funcionamento mais intrínseco da natureza. Newton construiu o primeiro telescópio refletor operacional e desenvolveu a teoria das cores baseada na observação que um prisma decompõe a luz branca em várias cores do espectro visível. Ele também formulou uma lei empírica de resfriamento e estudou a velocidade do som. Além de seu trabalho em cálculo infinitesimal, como matemático Newton contribuiu para o estudo das séries de potências, generalizou o teorema binomial para expoentes não inteiros, e desenvolveu o método de Newton para a aproximação das raízes de uma função, além de muitas outras contribuições importantes.

Também dedicou muito de seu tempo ao estudo da alquimia e da cronologia bíblica, mas a maior parte de seu trabalho nessas áreas permaneceu não publicada até muito tempo depois de sua morte. Em uma pesquisa promovida pela Royal Society, Newton foi considerado o cientista que causou maior impacto na história da ciência. De personalidade sóbria, fechada e solitária, para ele, a função da ciência era descobrir leis universais e enunciá- las de forma precisa e racional.

2 – Introdução

Se um corpo estiver em repouso, ele, por inércia, tende a continuar parado e só sob a ação de uma força é que poderá sair deste estado; se um corpo estiver em movimento, sem que nenhuma força atue sobre ele, o corpo tende, por inércia, a se mover em linha reta como velocidade constante. Será necessária uma força para aumentar ou diminuir sua velocidade ou para fazê-lo desviar-se para um lado para outro. A figura 1 ilustra situações em que a inércia representa um papel importante. [4]

Figura 1 – Experiências diárias relacionadas ao conceito de inércia. [4] Para iniciar ou aumentar como para diminuir ou parar um movimento, é necessário uma força. O Princípio da Inércia, ou Primeira Lei de Newton, é formulado como: ―Na ausência de forças externas mantém-se o estado de movimento de um objeto‖ (por manter-se, entende-se a velocidade constante em módulo, direção e sentido). Na Primeira Lei de Newton, uma partícula está em equilíbrio quando está em repouso ou está em movimento retilíneo

uniforme. Ou seja, quando ⃗. [4]

direção, mas de sentido oposto à força feita para golpear a bola, figura 4. Tais forças, que age sobre a bola e a que age sobre o desportista (ou raquete) sempre aparecem aos pares, com já foi dito, e são denominadas ação e reação. Numa colisão entre dois carros, a intensidade da força que um exerce no outro é a mesma, figura 5. [3]

Figura 4 – Força de igual intensidade, direção, mas de sentido oposto. [3]

Figura 5 – Colisão entre dois carros. [3] ―À ação de uma força sempre corresponde a reação de outra força que lhe é igual em módulo e direção mas com sentido oposto‖, que corresponde a Terceira Lei de Newton. A ação e a reação atuam em objetos diferentes. [3]

3 – Objetivo

Mostrar que num sistema onde inicialmente não existe movimento nenhum e então 2 partes diferentes do sistema começam a se movimentar, existe uma compensação: os movimentos ocorrem na mesma direção, porém em sentidos opostos.

4 – MATERIAIS

1 balão (de festa de aniversário) 1 canudo de refrigerante

1 fita adesiva 1 linha (com 2 m ou mais)

5 – Experimento [5]

O experimento consiste de aproveitar o movimento de um balão cheio quando é solto com a entrada de ar aberta de tal modo que este movimento seja retilíneo, para isso, será utilizado um canudo e uma linha com comprimento considerável. A ideia é a de explorar a compensação de quantidades de movimentos que ocorre neste experimento. Enquanto o balão se desloca para um lado, o ar que escapa dele se desloca no sentido oposto.

Figura 3 – Kit experimental: Foguete de Balão. Fonte: Elaborada pelo autor. Para montar deve-se grudar o canudo sobre o centro do balão, com ele ainda vazio passar uma das pontas da linha dentro do canudo, colocar o balão em uma das extremidades da linha, encher o balão e soltá-lo, figura 6. A forma do balão e a posição na qual se coloca a fita sobre o balão são fatores cruciais para o sucesso do experimento.

Figura 6 – Foguete de balão. [5]

6 – Referências

[1] Disponível em: http://www.cbpf.br/~caruso/tirinhas/webvol01/vol1.htm Acesso: 09/07/2014.

Transformações E Transferências De Energia

[1]

1 – Introdução [2]

No motor, o combustível explode e movimenta os pistões. Este movimento, transmitido às rodas pelo sistema girabrequim/embreagem/câmbio, faz com que o carro se desloque. Esta energia de movimento é chamada energia cinética do carro. Então, a energia que estava acumulada no combustível é transformada em energia de movimento ou energia cinética. Outras máquinas como: liquidificador, ventilador, furadeira, não são movidas pela energia de um combustível. Nestes aparelhos é a energia elétrica que é transformada em energia cinética. Esta energia elétrica vem de uma usina até nossa casa. Nestas usinas existem enormes turbinas que se movimentam. A energia para provocar a rotação de uma turbina numa usina hidrelétrica provém do movimento da água que cai sobre suas pás. Já numa usina termoelétrica (a carvão ou nuclear) é a energia de movimento do vapor d’água que se transforma em energia cinética de rotação das pás da turbina. No caso da usina hidrelétrica existe uma barragem que armazena a água, a uma certa altura em relação à turbina. Devido à atração gravitacional da Terra sobre a água, podemos dizer que o sistema Terra-água armazena uma forma de energia que denominamos energia potencial gravitacional. Isto significa que esta energia pode potencialmente ser transformada em energia cinética quando, através de tubos, a água atinja as turbinas. Nas usinas termoelétricas, a energia necessária para aquecer a água provém geralmente

de combustíveis, derivados do petróleo ou carvão. Nas nucleares o combustível utilizado é o urânio. A função de qualquer uma destas usinas é transformar estas energias (potencial química ou potencial nuclear) em energia elétrica, que será depois transformada em outras formas nas casas, escolas, indústrias, etc. Um ventilador a transformará em energia cinética, uma lâmpada em energia radiante (térmica e luminosa), uma bomba d’água a transformará de volta em energia potencial gravitacional, e assim por diante. Numa furadeira, figura1,a energia elétrica é também transformada em energia cinética, só que que está associada à rotação da broca. Esmeril, batedeira, liquidificador, centrifuga,ventilador são sistemas que giram em torno de um eixo e a energia cinética neste movimento é denominada energia cinética de rotação.

Figura 1 – Nestes sistemas existe transformação de energia elétrica em cinética de rotação. [2] A figura 2 representa a barragem de uma hidrelétrica, um gerador e a linha de transmissão ligada a alguns aparelhos eletrodomésticos. As transformações de energia ocorrem desde o momento em que a agua está represada até a utilização dos aparelhos eletrodomésticos. No ponto A, o sistema água-Terra armazena uma certa energia potencial gravitacional. Durante a queda da água esta energia se transforma em energia cinética de translação da água. Dessa energia, uma parcela se transforma em energia cinética de rotação na turbina (ponto B). Parte desta energia cinética de rotação se transforma em energia elétrica no gerador (ponto C). Na fiação que vai do gerador até os aparelhos eletrodomésticos (ponto D), há uma transformação de energia elétrica em energia térmica e energia radiante. No ventilador (ponto E), a energia elétrica se transforma em energia cinética de rotação. No rádio (ponto F), a energia elétrica se transforma em energia sonora

paralela ao deslocamento, , realiza trabalho sobre o objeto. O valor deste trabalho é dado por ou. Observe que, se uma força for aplicada a um corpo e este corpo não sofrer um deslocamento ( ), a equação mostra que o trabalho desta força é nulo. Assim, se uma pessoa Sustenta um objeto, sem desloca-lo (figura 1), ela não estará do ponto de vista da Física, realizando trabalho, embora, pelo conceito vulgar de trabalho, esta pessoa estaria ―trabalhando‖.

Figura 1 - Quando uma força atua em um corpo que não se desloca, ela não realiza trabalho. [2] 2.2 Potência Para se calcular o trabalho de uma força, não é necessário conhecer o tempo decorrido na realização desse trabalho. Na vida prática, porém, o conhecimento desse tempo pode ser importante, pois temos interesse em que um determinado trabalho seja realizado no menor tempo possível.

James Watt (1736-1819): Filho de escocês, fabricante de instrumentos e máquinas, seguiu a profissão do pai, tornando-se um habilidoso profissional. Em 1765, inventou um novo modelo de máquina a vapor que contribuiu enormemente para o desenvolvimento industrial do século passado. Sua invenção foi usada na construção dos primeiros barcos e locomotivas a vapor e para acionar uma grande variedade de máquinas nas fábricas que começavam a se desenvolver.

Se uma força realiza um trabalho durante um intervalo de tempo , a

potência , dessa força é definida como sendo ou

.

2.3 Trabalho e Energia Cinética A energia pode se apresentar sob diversas formas: energia química, energia mecânica, energia térmica, energia elétrica, energia atômica, energia nuclear etc. Os alimentos que a pessoa ingere sofrem reações químicas e liberam energia, isto é, os alimentos liberam energia química no organismo humano. A água na cachoeira possui energia mecânica e que, ao movimentar as turbinas, gera energia elétrica. Nos reatores atômicos, a energia nuclear, armazenada nos combustíveis atômicos, dá origem à energia térmica, que poderá ser utilizada para produzir energia elétrica. Qualquer corpo em movimento tem capacidade de realizar trabalho e, portanto, um corpo em movimento possui energia. Essa energia é denominada energia cinética,. Quando um corpo de massa está se movendo com uma velocidade , figura 2 e 3, ele possui energia cinética, , que é dada pela

expressão.

Figura 2 – A energia cinética de um corpo de massa e velocidade.

Figura 3 – Um corpo em movimento possui energia cinética. Se um corpo em movimento passa por um ponto A com energia cinética e chega a um ponto B com energia cinética , a variação da energia

2.5 Energia Potencia Elástica Um corpo ligado à extremidade de uma mola comprimida (ou esticada) possui energia potencial elástica. A mola comprimida exerce uma força sobre o corpo, a qual realiza um trabalho sobre ele quando o abandonamos. Entretanto, se tentarmos comprimir uma mola, podemos observar que ela reage à compressão com uma força cujo valor cresce à medida que ela vai sendo comprimida.

Força exercida por uma mola deformada A figura 6a mostra uma mola não deformada e na figura 6b apresentamos a mesma mola distendida, através de um dinamômetro, o qual

mede a força ⃗, exercida pela mola, quando seu alongamento é igual a (acréscimo do comprimento da mola).

Robert Hooke (1635-1703): Físico inglês, descobridor da lei, que leva seu nome, sobre a elasticidade dos corpos. Membro da Real Academia de Ciências de Londres, envolveu-se em polêmicas com Newton a respeito da teoria da Gravitação Universal e da natureza da luz, defendendo ardorosamente a teoria ondulatória.

a) b) Figura 6 – Uma mola, apresentando uma deformação , exerce uma força: a) mola não deformada; b) mola distendida. Considerando uma mola cuja constante elástica é , apresentando uma deformação em um corpo ligado a ela, como mostra a figura 7. A elástica deste corpo, nesta posição, pode ser determinada pelo trabalho que a mola realiza sobre ele, ao empurrá-lo até a posição normal da mola, isto é, a posição em que ela não apresenta deformação.

Figura 7 – Ao empurrar o corpo, a mola realiza, sobre ele. Um corpo ligado a uma mola de constante elástica , deformada ,

figura 8, possui uma energia potencial elástica dada por.

a) b) Figura 8 – a) Energia potencial elástica é acumulada no sistema elástico-pedra; b) A energia acumulada é transformada em cinética. [2] 2.6 Conservação da Energia Mecânica Forças conservativas são forças cujo trabalho não depende do caminho, por exemplo, força elétrica. As forças cujo trabalho depende do caminho são denominadas forças dissipativas ou forças não conservativas, por exemplo, a força de atrito. Se apenas forças conservativas atuam sobre um corpo em movimento, a soma da energia cinética do corpo com sua energia potencial permanece constante para qualquer ponto da trajetória. A soma da energia cinética de um corpo com sua energia potencial, em um dado ponto, é denominada energia mecânica total do corpo neste ponto, , ou seja,. Se apenas forças conservativas atuam sobre um corpo em movimento, sua energia mecânica total permanece constante para qualquer ponto da trajetória, isto é, a energia mecânica do corpo se conserva.