Relatório física geral 2 sem

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<p>UNIVERSIDADE PITÁGORAS UNOPAR</p><p>ENG. MECÂNICA - 2° SEMESTRE</p><p>MATEUS CONCEIÇÃO OLIVEIRA</p><p>FÍSICA GERAL E EXPERIMENTAL: ENERGIA – RELATÓRIO DE AULA</p><p>PRÁTICA</p><p>IJUÍ</p><p>2024</p><p>INTRODUÇÃO</p><p>No presente relatório, foram realizadas atividades práticas no ambiente</p><p>virtual fornecido da ALGETEC Laboratórios Virtuais. No qual se teve a</p><p>possibilidade de operar os equipamentos do software para investigar os</p><p>seguintes conceitos:</p><p>Princípio de conservação de energia - Movimento de Rolamento: dois</p><p>cilindros, com características diferentes foram submetidos a um movimento de</p><p>translação com rotação, que ocorreu em um plano inclinado. Durante a</p><p>realização da atividade foi necessário a utilização de um multicronômetro digital</p><p>ligado a um sensor, o qual registrou a velocidade de translação dos dois cilindros</p><p>de aço (um oco e um maciço). Com os dados obtidos foi possível calcular</p><p>grandezas como a velocidade angular, o momento de inércia, a energia cinética</p><p>de translação, a energia cinética de rotação e a energia potencial gravitacional</p><p>para cada um dos objetos testados.</p><p>Estática Balança de Prato - Experimento utilizado para investigar as</p><p>condições de equilíbrio de corpos rígidos. Para isso foi necessário utilizar uma</p><p>balança de prato com um contrapeso móvel para obter dados de distância ao</p><p>eixo de aplicação de forças, para então ser possível calcular a massa dos objetos</p><p>usados para causar uma força de rotação na balança.</p><p>Hidrostática empuxo - Experimento prático para validar o princípio de</p><p>Arquimedes. Neste experimento foi verificado a força que os líquidos exercem</p><p>nos sólidos e calcular o volume de determinado material. Para isso utilizou-se</p><p>um dinamômetro bem como alguns outros materiais disponibilizados.</p><p>Dilatômetro: Para este experimento foi utilizado alguns materiais</p><p>metálicos (cobre, latão e aço), um bico de Bunsen para alterar a temperatura dos</p><p>mesmos, um termômetro para tais registros e um relógio comparador para</p><p>coletar os dados das alterações sofridas pelos materiais durante o experimento.</p><p>DESENVOLVIMENTO</p><p>Procedimentos realizados:</p><p>- Acessada plataforma online da ALGETEC.</p><p>- Iniciado o Experimento Virtual “Princípio da Conservação da Energia”.</p><p>- Posicionado o nível bolha sobre o plano inclinado e nivelado a base.</p><p>- Ajustado o sensor para a posição 300 mm na régua.</p><p>- Regulado a inclinação da rampa para 20º por meio do fuso elevador.</p><p>- Conectado a fonte de energia do multicronômetro na tomada.</p><p>- Conectado o cabo do sensor na porta S0 do multicronômetro.</p><p>- Ligado o multicronômetro.</p><p>- Selecionado o idioma português do multicronômetro.</p><p>- Selecionado a função “F2 VM 1 SENSOR”.</p><p>- Inserido a informação da largura do corpo de prova, igual à 50 mm.</p><p>- Posicionado o cilindro oco próximo ao bloco de madeira</p><p>- Verificado o valor da velocidade linear apresentado no sensor e anotado as</p><p>informações na tabela.</p><p>- Repetido os passos 12 a 14 mais duas vezes.</p><p>- Resetado o multicronômetro e repetido os passos 10 a 15 deste experimento</p><p>com o cilindro maciço.</p><p>- Coletado os dados de dimensão e massa dos cilindros.</p><p>- Preenchido as tabelas 01, 02 e 03 (em anexo) com as grandezas solicitadas</p><p>através dos cálculos com os dados medidos.</p><p>- Comparado os valores da Energia Potencial Gravitacional Inicial e da Energia</p><p>Cinética Total.</p><p>Velocidade Linear</p><p>(m/s)</p><p>Cilindro Oco Cilindro Maciço</p><p>Descida 1 0,055 m/s 0,049 m/s</p><p>Descida 2 0,057 m/s 0,050 m/s</p><p>Descida 3 0,055 m/s 0,049 m/s</p><p>Média</p><p>Dados dos cilindros:</p><p>0,055 m/s 0,049 m/s</p><p>Especificações Cilindro Oco Cilindro Maciço</p><p>Massa (kg) 0,110 kg 0,300kg</p><p>Diâmetro interno (m) 0,4</p><p>Diâmetro externo (m) 0,5 0,5 mm</p><p>Sabendo que o cilindro foi solto da posição inicial 60 mm, e utilizando</p><p>as devidas fórmulas foram encontrados os seguintes dados:</p><p>GRANDEZAS CILINDRO OCO CILINDRO MAÇ.</p><p>Momento da inércia (kg.m²) 0,000056375kg.m² 0,00009375kg.m2</p><p>Velocidade Linear Média (m/s) 0,05m/s 0,049m/s</p><p>Velocidade Angular (rad/s) 0,2578rad/s 0,196rad/s</p><p>Energia cinética de Translação 0,001375j 0,2145j</p><p>Energia cin. de rotação (J) 0,000001608j 0,000001792j</p><p>Energia Cinética Total (J) 0,0001391j 0,000393j</p><p>Energia potencial gravitacional</p><p>inicial (J)</p><p>0,126j 0,2138j</p><p>Diferença porcentual</p><p>gravitacional entre a energia</p><p>cinética total e a energia</p><p>potencial inicial em relação a</p><p>esta (J)</p><p>99,999% 99,999%</p><p>A diferença ocorre devido as variações na energia total e a conversão da</p><p>energia em diferentes formas durante o movimento. A energia potencial inicial é</p><p>a energia associada à posição de um objeto em relação a algum ponto de</p><p>referência, ela depende da altura do objeto em relação a esse ponto de</p><p>referência e outros fatores, já a energia cinética, por outro lado, é a energia</p><p>associada ao movimento de um objeto, ela depende da massa do objeto e de</p><p>sua velocidade.</p><p>Quando o cilindro é solto no ponto mais alto do plano elevado e começa</p><p>a rolar, sua energia potencial inicial é convertida em energia cinética à medida</p><p>que ele ganha velocidade. A energia potencial diminui à medida que a altura</p><p>diminui, enquanto a energia cinética aumenta à medida que a velocidade</p><p>aumenta. No ponto mais baixo de sua trajetória, toda a energia potencial inicial</p><p>é convertida em energia cinética máxima.</p><p>ESTÁTICA – BALANÇA DE PRATO</p><p>Procedimentos realizados:</p><p>- Acessado o Experimento Virtual “Estática – Balança de Prato”.</p><p>- Verificado e anotado os dados de massa do prato.</p><p>- Verificado e anotado a massa o contrapeso.</p><p>- Posicionado um corpo de prova sobre o prato da balança.</p><p>- Ajustado o contrapeso até obter o equilíbrio.</p><p>- Anotado as distâncias do peso e do contrapeso até o pivô da balança.</p><p>- Repetido os procedimentos para os outros três corpos de prova</p><p>- Calculado a massa de cada corpo de prova utilizando a condição de</p><p>equilíbrio de momentos.</p><p>Peso do prato = 200 g P = 0,2 x 10 = 2 N</p><p>Peso do contrapeso = 500 g P = 0,5 x 10 = 5 N</p><p>Distância do prato ao eixo de rotação = 14,5 cm = 0,145 m</p><p>Distância do contrapeso ao eixo de rotação = 28,3 cm = 0,283 m</p><p>MA(Prato) = F x d MB(Contrapeso) = F x d para MA = MB</p><p>MA(Prato) = 2 x 0,145 0,29 = 5 x d</p><p>MA = 0,29 Nm d = 0,29/5 = 0,058 m = 5,8 cm</p><p>Aproximando o contrapeso do eixo de rotação a uma de distância de</p><p>5,8cm, o sistema estará em equilíbrio.</p><p>DESCOBRINDO A MASSA DOS PESOS DE PROVA.</p><p>Inserindo os pesos e equalizando o sistema deslizando o contrapeso e</p><p>calculando a sua distância até o eixo de rotação.</p><p>1) Peso corpo de prova 01 → Distância do contrapeso eixo =10,1 cm =</p><p>0,101 m</p><p>MB(Contrapeso) = F x d</p><p>MB(Contrapeso) = 5 x 0,101 MB = 0,505 Nm</p><p>Para MB = MA</p><p>MA = F x d</p><p>0,505 = F x 0,145</p><p>F = 0,505/0,145 +/ - 3,45 N 2N (Prato) +/- 1,48 N</p><p>1,48 N / 10 (aceleração) = 0,148 Kg</p><p>2) Peso corpo de prova 2</p><p>Distância do contrapeso ao eixo = 8,7 cm = 0,087 m MB(Contrapeso) = F</p><p>x d</p><p>MB(Contrapeso) = 5 x 0,087 MB = 0,435 Nm</p><p>Para MB = MA</p><p>MA = F x d</p><p>0,435 = F x 0,145</p><p>F = 0,435/0,145 +/ - 3 N 2N (Prato) +/- 1 N</p><p>1 N / 10 (aceleração) = 0,100 Kg</p><p>3) Peso corpo de prova 03 → Distância do contrapeso eixo = 7,8 = 0,078m</p><p>MB(Contrapeso) = F x d</p><p>MB(Contrapeso) = 5 x 0,078 MB = 0,390 Nm</p><p>Para MB = MA</p><p>MA = F x d</p><p>0,390 = F x 0,145</p><p>F = 0,390/0,145 +/ - 2,69 N 2N (Prato) +/- 0,69 N</p><p>0,69 N / 10 (aceleração) = 0,069 Kg</p><p>4) Peso corpo de prova 04 → Distância do contrapeso eixo = 7,2 = 0,078m</p><p>MB(Contrapeso) = F x d</p><p>MB(Contrapeso) = 5 x 0,078</p><p>MB = 0,360Nm</p><p>Para MB = MA</p><p>MA = F x d</p><p>0,360 = F x 0,145</p><p>F = 0,360/0,145 +/ - 2,48 N - 2N (Prato) +/- 0,48 N</p><p>0,48 N / 10 (aceleração) = 0,048 Kg</p><p>Soma da massa de todos os corpos</p><p>de prova = 565 g→ P = m x a = 0,565 x</p><p>10 = 5,65 N</p><p>Razão entre o peso dos corpos de prova e a distância do contrapeso ao</p><p>eixo de rotação para equilibrar o sistema:</p><p>MA = F x d</p><p>MA = 5,65 x 0,145</p><p>MA = 0,82Nm</p><p>Para MA = MB</p><p>MB = F x d</p><p>0,82 = 5 x d</p><p>D = 0,82/5 = 0,164 m</p><p>HIDROSTÁTICA</p><p>Procedimentos realizados:</p><p>- Acessado o Experimento Virtual “Hidrostática”.</p><p>- Colocado o cilindro sobre a mesa.</p><p>- Calibrado o dinamômetro.</p><p>- Posicionado o cilindro embaixo do recipiente transparente e anote o valor</p><p>mostrado pelo dinamômetro.</p><p>- Levantado o dinamômetro</p><p>- Posicionado o béquer embaixo do dinamômetro.</p><p>Baixado novamente o dinamômetro e anotado o novo valor mostrado p ele.</p><p>- Calculado o Empuxo atuando sobre o cilindro.</p><p>- Calculado o volume do cilindro e comparado com o valor dado.</p><p>- Utilizado a pisseta para encher de água o recipiente transparente acima</p><p>do cilindro, anotado o novo valor de força indicado pelo dinamômetro.</p><p>Após inserido o cilindro em baixo do recipiente no dinamômetro podemos</p><p>verificar que a resultante do seu peso é 0,9091N e ao ser mergulhado na água</p><p>sofre uma força de mesma direção, porém em sentido contrário denominada</p><p>empuxo, alterando sua resultante pa a 0,4184N. Ou seja realizando</p><p>comparações e tais resultados podemos entender que esta força que fez reduzir</p><p>o peso do cilindro é o empuxo em termos matemáticos o cálculo do módulo da</p><p>força que provocou a diminuição de peso ira ser:</p><p>Pfcl = peso aparente do cilindro fora do liquido</p><p>Pdcl = peso aparente do cilindro dentro do liquido</p><p>E = Pfcl - Pdcl</p><p>E = 0,9091N - 0,4184N</p><p>E = 0,4907N</p><p>O volume deslocado é a quantidade de fluido que é deslocada quando o</p><p>corpo está submerso na água. Este volume deslocado é igual ao volume do</p><p>objeto submerso na água. Também podemos ver este princípio numa experiência</p><p>em que colocamos um cilindro numa solução aquosa num copo. Além disso,</p><p>sabendo que a direção do empuxo é vertical, de baixo para cima, podemos</p><p>definir matematicamente o princípio de Arquimedes, que produz uma equação</p><p>que descreve a força de empuxo e sua relação com a quantidade de água</p><p>deslocada.</p><p>Sob: E= df x Vf x g</p><p>Onde: E é o empuxo</p><p>Df é a densidade do fluido;</p><p>Vf é o volume deslocado;</p><p>G é a aceleração da gravidade.</p><p>Pode-se dizer que a flutuabilidade não depende da densidade do corpo</p><p>que ficará submerso no líquido. Contudo, o volume deslocado determina a</p><p>relação entre a densidade do fluido no qual o sólido estará contido e a densidade</p><p>do próprio sólido. E este valor pode ser usado para testar se um corpo irá</p><p>afundar, flutuar ou atingir o equilíbrio com um líquido.</p><p>Portanto, existem três definições de densidade: Se a densidade do sólido</p><p>for maior que a densidade do líquido, o objeto afundará, se a densidade for</p><p>menor que a densidade do líquido, o objeto flutuará, e se a densidade for a</p><p>mesma, o objeto permanecerá em equilíbrio em repouso. O volume deslocado</p><p>depende, portanto, da relação entre a densidade do fluido aquático e do objeto</p><p>submerso.</p><p>DILATÔMETRO</p><p>Procedimentos realizados:</p><p>- Acessado o Experimento Virtual “Dilatômetro”.</p><p>- Selecionado o corpo de prova de cobre com 500 mm de comprimento.</p><p>- Medido sua temperatura inicial e anotado.</p><p>- Movido o corpo de prova para a base.</p><p>- Arrastado o batente até a posição zero da escala.</p><p>- Travado o batente.</p><p>- Zerado o relógio comparador.</p><p>- Ligado o sistema de aquecimento (a chama do bico de Bunsen).</p><p>- Aguardado até que a temperatura final de aquecimento se estabilizasse.</p><p>- Anotado a temperatura final.</p><p>- Anotado a variação de comprimento do corpo de prova mostrada no relógio</p><p>comparador.</p><p>- Desligado a chama e mover o corpo de prova para a mesa.</p><p>- Repetido os passos anteriores com os cilindros de latão e aço.</p><p>MATERIAL T0 (°C) DL (mm) ΔT (°C) a(°C^-1)</p><p>Cobre 25,5 0,62 73,6 0,000016ºC</p><p>Latão 25,5 0,7 73,5 19x10^-6 °C^-</p><p>1</p><p>Aço 25,5 0,39 73,5 12x10^-6 °C</p><p>Analisando o Resultado:</p><p>A dilatação linear de um objeto é calculada usando a fórmula:</p><p>ΔL = α * L * ΔT</p><p>Onde:</p><p>ΔL é a variação no comprimento do objeto, α é o coeficiente de dilatação</p><p>linear do material, L é o comprimento inicial do objeto, e ΔT é a variação de</p><p>temperatura.</p><p>Tubo de cobre: Coeficiente de expansão linear 0,000016 por grau Celsius.</p><p>A mudança de temperatura é calculada como a diferença entre a temperatura</p><p>final e a temperatura inicial.</p><p>ΔT = Tfinal - Tinicial = 99,2 °C - 25,5 °C = 73,8 °C</p><p>Aplicando a fórmula temos:</p><p>ΔL = (0,000016 1/°C) * (500 mm) * (73,7 °C)</p><p>= 0,064 mm</p><p>Podemos observar que chegamos ao cálculo que a de dilatação linear do</p><p>tubo de cobre é de 0,064 mm, finalizando assim nosso experimento com este</p><p>material.</p><p>Tubo de latão: O coeficiente de dilatação linear do latão varia dependendo</p><p>da composição específica do material, mas um valor comum é aproximadamente</p><p>19 × 10^-6 °C^-1.</p><p>ΔL = α * L0 * ΔT</p><p>Onde:</p><p>ΔL é a variação de comprimento, α é o coeficiente de dilatação linear, L0</p><p>é o comprimento inicial do tubo, e ΔT é a variação de temperatura.</p><p>Aplicando os valores encontrados, temos:</p><p>ΔL = (19 × 1 0^-6) * (500 mm) * (99,2°C - 25.5 °C)</p><p>Calculando essa expressão:</p><p>ΔL ≈ (19 × 1 0^-6) * (500) * (73.7)</p><p>= 0.070015 mm</p><p>Portanto, a dilatação linear do tubo de latão é aproximadamente</p><p>0.07001mm, utilizando uma margem de erro do equipamento ou operação, bem</p><p>como considerando que a composição do material pode ter variações, podemos</p><p>tratar como válido o experimento.</p><p>Tubo de aço: Para calcular a dilatação linear do tubo de aço, precisamos</p><p>conhecer o coeficiente de dilatação linear do aço. No entanto, esse coeficiente</p><p>pode variar dependendo da composição específica do aço. Utilizando um valor</p><p>médio aproximado para o coeficiente de dilatação linear do aço, que é de</p><p>aproximadamente 12 x 10^-6 por grau Celsius.</p><p>Substituindo os valores na fórmula, temos:</p><p>ΔL = (12 x 10^-6) * (500 mm) * (99.2 - 25.5)</p><p>ΔL ≈ (12 x 10^-6) * (500 mm) * (73.7)</p><p>ΔL ≈ 0.04422 mm</p><p>O resultado para a dilatação linear do tubo de aço é aproximadamente</p><p>0.044 mm. Esse valor é ligeiramente diferente do valor de variação de</p><p>comprimento registrado em 0.039 mm, o que pode ser devido a uma</p><p>aproximação utilizada no coeficiente de dilatação linear.</p><p>CONCLUSÃO</p><p>Concluímos que o estudo da energia através de experimentos práticos em</p><p>Física Geral e Experimental é fundamental para compreendermos os princípios</p><p>fundamentais que regem o universo ao nosso redor. Ao longo deste relatório,</p><p>pudemos observar como diferentes formas de energia se manifestam e</p><p>interagem em diversos sistemas. Desde a conservação da energia até a</p><p>transformação entre diferentes tipos de energia, as experiências realizadas nos</p><p>permitiram não apenas visualizar esses conceitos, mas também compreendê-los</p><p>em um nível mais profundo. Além disso, a análise dos dados obtidos nos</p><p>experimentos nos ajudou a desenvolver habilidades de pensamento crítico e de</p><p>resolução de problemas, essenciais para qualquer estudante de ciências. Por</p><p>fim, acreditamos que o conhecimento adquirido neste curso nos capacitará a</p><p>aplicar os princípios da energia em situações do mundo real, contribuindo assim</p><p>para nosso desenvolvimento acadêmico e profissional.</p>