Força e movimento circular

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Equipamento

  • LabPro Interface
  • Aparelho de força centrípeta (CFA)
  • Sonda de força
  • Força centrípeta ficheiro de software
  • Gráficos ficheiro de software
  • Duas massas de 5, 10 e 20 g cada

Introdução

De acordo com a primeira lei de Newton, um corpo em movimento permanecerá em movimento com velocidade constante se a força líquida que actua sobre ele for zero. Velocidade constante significa que tanto a velocidade como a direção não mudam. Um objeto que se move numa trajetória circular com velocidade constante não tem uma velocidade constante porque a direção da velocidade está constantemente a mudar. Isto implica que um objeto que se movea uma velocidade constante numa trajetória circular está a acelerar.

De acordo com a segunda lei de Newton, é necessária uma força líquida diferente de zero para provocar aceleração. No caso de um objeto que se move numa trajetória circular, a aceleração é dirigida para o centro da circunferência. Por conseguinte, a força líquida é também dirigida para o centro. Esta força líquida é frequentemente designada por força centrípeta .

Como a aceleração de um objeto em movimento circular uniforme é v2/R, a força necessária para manter uma massa numa trajetória circular é F = m (v2/R). Neste laboratório irá investigar como as alterações em m, v e R afectam a força resultante F necessária para manter a massa numa trajetória circular.

I. Mudança de massa

1) Observe cuidadosamente como o seu instrutor ou técnico de laboratório demonstra a utilização correcta do Aparelho de Força Centrípeta. Em caso algum deve alimentar o motor com mais de 12 volts ou 0,40 A, sob pena de queimar o motor!

2. abrir o ficheiro Força centrípeta .

3) Calibrar o sensor de força seleccionando Experimentar/Calibrar No menu de contexto, selecionar o sensor de força e selecionar Calibrar agora Agora vai efetuar uma calibração de dois pontos dos sensores de força:

  • Para o primeiro ponto de calibração, não aplique qualquer força ao sensor, introduza 0 N e prima Manter.
  • Para o segundo ponto de calibração, pendure uma massa de 500 g no sensor. Introduza o peso desta massa (4,90 N) e prima Manter.

Nota: É da sua responsabilidade verificar continuamente a calibração da sonda de força, começando por retirar toda a massa e verificar se a sonda lê 0N e, em seguida, pendurando 500 gramas na sonda e verificando se lê 4,9N. Se não vir estes valores, terá de voltar a colocar o zero ou recalibrar a sonda.

4) Colocar uma massa de 5 g de cada lado do aparelho nas marcas de 70 mm. Para localizar a massa móvel, um dos parceiros deve segurar o centro da massa a 70 mm, enquanto o segundo parceiro move a sonda de força para cima até o fio ficar esticado. A sonda de força deve então ser fixada nesta posição.

5) Os valores de m e R podem ser medidos diretamente a partir do aparelho de força centrípeta (CFA). A velocidade tangencial é encontrada utilizando um temporizador foto-portátil e um cálculo efectuado no LoggerPro. O foto-portátil medirá o tempo (T) para a massa completar uma volta completa. A velocidade tangencial é assim:

v = 2πR/T

Esta fórmula pode ser encontrada no Logger Pro em Opções de dados/coluna, e, em seguida, seleccione Velocidade. Por predefinição, é utilizado um valor de raio de 0,07 m. "Tempo de impulso" é o tempo para uma revolução da massa.

Nota: Esta fórmula só calcula a velocidade tangencial correcta quando o raio da circunferência é 0,07 m. Quando são utilizados outros raios, o utilizador deve editar esta fórmula introduzindo o raio atual em vez de 0,07.

6) Colocar a tensão a 8,0 volts e observar o aparelho para se certificar de que o fio que conduz a sonda de força está vertical e diretamente alinhado com a roldana que se encontra por baixo.

7. clicar em Recolher e monitorize a velocidade e a força durante cerca de 10 segundos, depois desligue a fonte de alimentação.

8) Realce a área do gráfico que apresenta os valores mais constantes de Velocidade e Força. Registe a Velocidade e a Força médias na tabela abaixo, juntamente com as incertezas apropriadas.

9) Repetir os passos acima para completar a tabela. Certificar-se de que a velocidade é a mesma do primeiro ensaio. Caso contrário, ajustar a tensão da fonte de alimentação.

Efeito da alteração da massa na força (R = 0,070 m)

Massa

(kg)

Velocidade

(m/s)

Força

(N)

0.005

±

±

0.010

±

±

0.015

±

±

0.020

±

±

0.025

±

±

0.030

±

±

0.035

±

±

II. Mudança de velocidade

1) Colocar uma massa de 20 g centrada na marca dos 70 mm em cada lado do aparelho.

2) Verifique a calibração da sonda de força com 0 N e 4,9 N. Reponha o zero ou recalibre, se necessário.

3) Ajustar a tensão a 4,0 volts e observar o aparelho para se certificar de que o fio que conduz a sonda de força está vertical e diretamente alinhado com a roldana que se encontra por baixo.

4. clicar em Recolher e monitorize a velocidade e a força durante cerca de 10 segundos, depois desligue a fonte de alimentação.

5) Realce a área do gráfico que apresenta os valores mais constantes de Velocidade e Força. Registe a Velocidade e a Força médias na tabela abaixo, juntamente com as incertezas apropriadas.

6) Repetir os passos acima para completar a tabela.

Efeito da alteração da velocidade na força (m = 0,020 kg e R = 0,070 m)

Tensão

(V)

Velocidade

(m/s)

Força

(N)

4.0

±

±

5.0

±

±

6.0

±

±

7.0

±

±

8.0

±

±

9.0

±

±

10.0

±

±

11.0

±

±

12.0

±

±

III. alteração do raio

1) Colocar uma massa de 20 gramas centrada na marca dos 50 mm em cada lado do aparelho.

2. clicar em Opções de dados/colunas e, em seguida, selecionar Velocidade Como o nosso raio é agora de 0,05 m, edite a expressão da velocidade da massa para 2*pi*(0,05)/"Tempo de impulso".

3) Verifique a calibração da sonda de força com 0N e 4,9N. Reponha o zero ou recalibre, se necessário.

4) Ajustar a tensão a 12,0 volts e observar o aparelho para se certificar de que o fio que conduz a sonda de força está vertical e diretamente alinhado com a roldana que se encontra por baixo.

5. clicar em Recolher e monitorize a velocidade e a força durante cerca de 10 segundos, depois desligue a fonte de alimentação.

6) Realce a área do gráfico que mostra os valores mais constantes da Velocidade e da Força. Registe a Velocidade e a Força médias na tabela abaixo, juntamente com as incertezas apropriadas.

7. repetir os passos acima para completar a tabela. Para cada novo raio é necessário:

a. Edite a equação da velocidade introduzindo o raio atual

b. Ajustar a tensão de modo a manter uma velocidade constante em cada ensaio

Efeito da alteração do raio na força (m = 0,020 kg)

Raio

(m)

Velocidade

(m/s)

Força

(N)

0.050

±

±

0.060

±

±

0.070

±

±

0.080

±

±

0.090

±

±

0.100

±

±

IV Análise dos dados

A. Força vs. Massa

Abrir o ficheiro Gráficos Este ficheiro é configurado para permitir a introdução dos seus dados e incertezas e criar um gráfico de melhor ajuste.

  • Introduza os seus dados na coluna apropriada (força no eixo y, massa no eixo x e as incertezas nas colunas apropriadas).
  • Faça duplo clique em cada cabeçalho de coluna para alterar a etiqueta e as unidades de cada coluna.
  • Selecionar uma função de melhor ajuste adequada (neste caso Analisar/Ajuste linear Para determinar as incertezas nos parâmetros de ajuste linear, clique com o botão direito do rato na caixa Ajuste Linear e seleccione Opções de ajuste linear Apresenta o desvio padrão do declive e da interceção em y.
  • Termina de preparar o teu gráfico, imprime-o e anexa-o ao final desta atividade.

Pergunta: Comparar a forma genérica de uma função linear, Y =AX + B , com a equação teórica F = m (v2/R) . A que devem corresponder os valores de A e B se a teoria for válida? Sugestão: Se uma variável for representada graficamente nos eixos x ou y, não pode fazer parte de A ou B.

Pergunta: Com base na sua observação acima, calcule o valor conhecido das constantes que compõem A na sua função de melhor ajuste. O seu valor experimental de A, com unidades e incertezas, concorda com este valor conhecido?

B. Força vs. Velocidade

Crie um gráfico de Força vs. Velocidade como descrito acima. Ajuste os seus dados com uma função potência e anexe-o ao final desta atividade.

Pergunta: Comparar a forma genérica de uma função potência, Y =AXB , com a equação teórica F = m (v2/R) . Quais devem ser os valores de A e B se a teoria for válida?

Pergunta: O poder da sua função de melhor ajuste é igual a 2 dentro da sua incerteza? Se não, especule sobre específico fontes de possíveis erros e como os corrigiria se repetisse a experiência.

Pergunta: Calcule o valor conhecido das constantes que compõem A na sua função de melhor ajuste. O seu valor experimental de A, com unidades e incertezas, está de acordo com este valor conhecido?

C. Força vs. Raio

Crie um gráfico de Força vs. Raio como descrito acima. Ajuste os seus dados com uma função potência e anexe-o ao final desta atividade.

Pergunta: Comparar a forma genérica de uma função potência, Y =AXB , com a equação teórica F = m (v2/R) . Quais devem ser os valores de A e B se a teoria for válida?

Pergunta: O poder da sua função de melhor ajuste é igual a -1 dentro da sua incerteza? Se não, especule sobre específico fontes de possíveis erros e como os corrigiria se repetisse a experiência.

Pergunta: Calcule o valor conhecido das constantes que compõem A na sua função de melhor ajuste. O seu valor experimental de A, com unidades e incertezas, está de acordo com este valor conhecido?

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