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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO Bacharelado em Ciência e Tecnologia - BCT Pêndulo balístico Arthur Araujo 120.197 Edyane Andrade 120.364 Giovanna Calabrese 120.401 Luciana Dall Bello 120.506 Luiza Teixeira 120.515 Maria Victória Siqueira 120.529 Matheus Cesar 120.536 Vinícius Batalha 122.062 Professora Drª. Thaciana Malaspina São José dos Campos - SP Junho de 2018 SUMÁRIO RESUMO 3 INTRODUÇÃO 4 Quantidade de movimento 4 Impulso 4 Conservação do momento linear 5 Conservação do momento angular 6 Momento de inércia 8 Energias 10 Energia cinética 10 Energia potencial gravitacional 10 Pêndulo balístico 10 OBJETIVO 13 MATERIAIS 14 PROCEDIMENTO 15 RESULTADOS E DISCUSSÃO 16 Cálculo 1: Momento linear - Considerando como uma partícula 16 Energia cinética imediatamente após a colisão 18 Energia potencial na altura máxima do conjunto pêndulo + projétil 18 O momento linear do conjunto pêndulo + projétil imediatamente após a colisão 18 O momento linear do projétil antes da colisão 18 O momento linear do pêndulo antes da colisão 18 Cálculo 2: Momento angular - Considerando como corpo extenso 19 A energia potencial na altura máxima do conjunto após a colisão 20 A energia cinética do conjunto imediatamente após a colisão 21 O momento angular do conjunto imediatamente após a colisão 21 O momento angular antes da colisão (pêndulo e projétil separados) 22 Projétil 22 Pêndulo 22 O momento de inércia referente a rotação 22 CONCLUSÃO 24 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 25 RESUMO No estudo da física, a correlação entre a colisão de corpos e a conservação da energia dentro do sistema é de grande interesse para o desenvolvimento de estudos sobre o movimento após uma colisão, de maneira que tal processo pode ser representado em um pêndulo balístico. É notável a transferência de energia de um corpo em movimento para um corpo em repouso após a colisão dos mesmos, de modo que essa relação gera o movimento angular do corpo em repouso, sendo, portanto, expressa pela transformação da energia cinética em energia potencial. Palavras-chave: energia potencial gravitacional, energia cinética, quantidade de movimento, princípio da conservação do momento linear. INTRODUÇÃO “Nos últimos anos, o estudo da balística têm obtidos grandes êxitos, já que o desenvolvimento de fotografias de alta-velocidade e do estroboscópio têm permitido o estudo aprofundado da movimentação de projéteis desde o momento em que são disparados até o instante em que atingem o alvo. Estes estudos são feitos através da inclusão destes dados em supercomputadores que permitem a otimização de armas e projéteis.”[1] Tais êxitos foram obtidos de acordo com análises e estudos que efetivaram e desenvolveram a melhor compreensão do movimento, de modo que o estudo da conservação do momento linear e da conservação da energia são os principais eixos para o desenvolvimento dos resultados. Quantidade de movimento Princípio conhecido como quantidade de movimento ou como momento linear. É definido como transferência de movimento entre dois corpos, sendo, portanto, analisado como uma grandeza vetorial, pois indica direção e sentido. Tal conceito relaciona a velocidade do corpo com sua massa, o que está representado em módulo abaixo: mv; [Kg·m/s] (1)Q = Impulso "O impulso de uma força, devido à sua aplicação em certo intervalo de tempo, é igual a variação da quantidade de movimento do corpo ocorrida neste mesmo intervalo de tempo."[2] Para que qualquer tipo de movimento tenha início é necessário que ocorra interações entre uma quantidade de corpos em um dado sistema. Fazendo uma n analogia a um caso mais simples, com tem-se que: para que um dos corpos 2,n = entre em movimento, tem de haver uma interação entre os dois corpos do sistema analisado. Caso seja feita a análise do intervalo de tempo em que essa interação ocorre e se for considerado um intervalo infinitesimal, obtém-se a regra do conceito de impulso. Assim, em módulo, pois o impulso também é uma grandeza vetorial, tem-se: F ·Δt; [N ·s] (2)I = Além disso, de acordo com a citação acima, é possível obter: Q QI = f inal − inicial ΔQ (3)I = Conservação do momento linear Em um sistema isolado, é possível verificar que a colisão entre dois corpos deve ocorrer com conservação do momento linear, o que caracteriza uma colisão elástica, ou seja, a energia total do sistema permanece a mesma. Com isso, pode-se definir a conservação do momento a partir da equação: v m v m v m v (4)ma ai + b bi = a fa + b fb Figura 1. ilustração de uma colisão elástica entre dois corpos Porém, em um sistema não-isolado, a colisão que ocorre é do tipo inelástica, em que não ocorre conservação da energia dentro do sistema; no entanto, há a conservação do momento linear. Portanto, pode-se definir para este caso: v m v (m )v (5)m1 1i + 2 2i = 1 + m2 f Figura 2. ilustração de uma colisão inelástica entre dois corpos Conservação do momento angular Momento angular, assim como momento linear, relaciona a massa de um corpo com sua velocidade em uma movimento dado. No entanto, como seu nome já ilustra, alguma das duas componentes relacionadas não é linear, ou seja, depende da angulação da trajetória. Como a massa é uma grandeza escalar, então, no momento angular a velocidade utilizada na relação é a velocidade angular. Dessa forma, conclui-se que tal conceito é aplicado em movimentos de rotação . Figura 3. momento angular: momento angular é um vetor perpendicular à quantidade(L) de movimento associada a um corpo em movimento de rotação em torno de um ponto fixo. Assim, em módulo: rmv, (6) L = onde é o raio da trajetória circular percorrida e pode ser dada como:r v ⍵r, (7)v = regra em que é a variável da velocidade angular.⍵ Portanto: ⍵r ; [Kg·m /s] (8) L = m 2 2 A conservação de tal conceito define-se como: em analogia com o momento linear, em que a conservação acontece quando não há atuação de forças externas sobre o sistema de corpos, em momento angular (ou quantidade de movimento angular) não pode ocorrer torque sobre os corpos em rotação. 1 0T externo = Para tal análise, é necessária a introdução de um novo conceito: o momento de inércia . 2 1 Força, no geral, é um conceito relacionado com movimentos de translação, assim como torque está relacionado a movimentos de rotação. 2 O momento de inércia está para a rotação assim como a massa está para o movimento de translação. A diferença é que momento de inércia não só depende da massa, mas também da distribuição da massa em torno do eixo de rotação, representado pelo raio em sua definição. Momento de inércia “Quanto mais próximo à distribuição de massa estiver do eixo de rotação, menor é o seu momento de inércia e, por conseguinte, o corpo ganha mais velocidade angular, poisoferece menor resistência a variação da velocidade de rotação. Este fato está relacionado com a conservação do momento angular.”[3] De forma análoga ao conceito primordial de inércia estabelecido por Isaac Newton, o momento de inércia trata-se de uma resistência a mudança da velocidade angular presente em um movimento de rotação. Como o conceito de impulso já foi definido com a simbologia , momento de inércia será representado como I I .m Dessa forma: I mr , (9)m = 2 para um único corpo, onde é a massa deste e o raio da trajetória percorrida. m r Para um conjunto de corpos, a soma dos momentos pode ser dada como: mI ∑m r (10)∑ = i i2 Os momentos de inércia são específicos para cada e calculados experimentalmente. Um compilado de suas possibilidades de definição pode ser visto na Figura 4 abaixo. Figura 4. exemplos de momentos de inércia mais usuais Com tal conceito definido, a conservação do momento angular é definida então como: L Linicial = f inal I ·⍵ I ·⍵ (11) m inicial inicial = m f inal f inal Energias Energia cinética Momento linear e angular são fatores que efetuam a transferência de movimento, entretanto, durante a movimentação há sempre energia envolvida entre corpos. A relação da energia cinética está ligada diretamente com a massa e a velocidade do corpo analisado, sendo definida como: E (mv )/2 [J] (12) cinética = 2 Portanto, quanto maior a massa, maior será sua velocidade, de modo que a energia cinética será determinada pela ação dos corpos em movimento, sendo que, dessa forma, quanto maior sua velocidade, maior será a energia cinética produzida. Energia potencial gravitacional A energia potencial gravitacional apresenta a relação direta da atração gerada pela Terra sobre um determinado corpo, sendo uma relação da massa, altura e da gravidade atuante em um corpo. É definida como: E mgh [J] (13) gravitacional = Assim, quanto maior a massa e altura, maior será a energia transformada em trabalho (movimento de queda). Por fim, como toda energia é transmissível, a energia cinética e potencial podem ser passadas para outros corpos na forma de trabalho. Pêndulo balístico O pêndulo balístico é um dispositivo prático no qual ocorre uma colisão inelástica, definida anteriormente como o choque entre dois corpos em que não ocorre conservação de energia, apenas conservação dos momentos. Até a invenção de novos instrumentos, mais modernos e com maior eficiência, o pêndulo balístico foi amplamente utilizado para medir a velocidade de projéteis. No dispositivo, o procedimento basicamente se dá com o lançamento de um pequeno projétil em direção a um bloco de madeira maciça, que se comporta como um pêndulo após o choque apresentado. O projétil fica preso à madeira devido a perda de energia durante a trajetória percorrida - a energia inicial pode ser transformada em energia sonora, energia térmica e também pode ter sido usada para deformar o bloco. No entanto, a quantidade de movimento ainda deve ser conservada. Figura 5. ilustração de um pêndulo balístico Após a colisão, portanto, o bloco se comporta como um pêndulo em que a energia mecânica total é conservada. Por isso, pode-se usar a altura máxima do pêndulo para determinar a energia cinética do bloco após a colisão e, em seguida, usando a conservação da quantidade de movimento, é possível encontrar a velocidade inicial do projétil. Assim, a partir da Equação 5, para um corpo só no início do movimento, tem-se: v (m m )v (14)m1 i = 1 + 2 f (m v )/(m m ) vf = 1 i 1 + 2 Como, após a colisão, a energia mecânica do sistema bloco-projétil é conservada, obtém-se: 0Emecânica = EEcinética = potencial m m )v (m m )gh( 1 + 2 f 2 = 1 + 2 2ghvf 2 = m v )/(m m ) √2gh( 1 i 1 + 2 = ((m m )/m )√2gh (15)vi = 1 + 2 1 OBJETIVO Analisar, de duas maneiras diferentes fisicamente, a velocidade inicial de um projétil de forma experimental e forma teórica.[4] MATERIAIS Nesse experimento foram utilizados os seguintes materiais[4]: 1) Esfera maciça: projétil a ser lançado em direção ao pêndulo balístico; 2) Disparador CidepeⓇ EQ1458: utilizado para o lançamento da esfera; 3) Pêndulo balístico AREU CidepeⓇ EQ166: eixo junto de uma peça de madeira, no qual havia um ímã que segura o projétil lançado; 4) Balança: utilizada para medir as massas das esferas e da estrutura do pêndulo. Tais equipamentos foram montados de acordo com a Figura 6 a seguir: Figura 6. Montagem do experimento PROCEDIMENTO Primeiramente, foi feita a medição da massa do projétil e da estrutura do pêndulo, composto por uma haste metálica e uma massa de madeira com um ímã. Posteriormente, foi colocada a esfera maciça na “boca” do disparador, onde se encontra um ímã para a fixação da mesma. Também foi ajustada a haste de medição de ângulo máximo do pêndulo na altura de 0°. Feito isso, foi efetuado o disparo do projétil e o fenômeno foi observado. O único dado registrado após a ação do disparador foi o ângulo criado entre a posição inicial e final do pêndulo. RESULTADOS E DISCUSSÃO Cálculo 1: Momento linear - Considerando como uma partícula Durante a prática foram obtidos os dados descritos na Tabela A: Ângulo que o pêndulo atinge Massa do projétil Massa do pêndulo Raio de rotação do pêndulo em relação ao centro de massa do sistema 15º 23,87 g 184,60 g 300 ± 0,5 mm Tabela A. Dados experimentais verificados em laboratório. Para início de análise, devemos considerar o sistema como o conjunto pêndulo mais projétil. Essa consideração se faz necessária para fins de conservação de energia. A partir do valor do ângulo que o pêndulo atinge e do seu raio de rotação, obteve-se o valor da altura máxima do conjunto pêndulo + projétil após a colisão dado pela Equação : l = a�r180 ° sendo o ângulo (15º) e o raio de rotação do projétil (300 ± 0,5 mm), logo, a r tem-se que altura máxima alcançada pelo projétil foi de: ± ou l = 8,7 5 , mm0 5 , 785 ± 0, 005 m0 0 0 O movimento feito pelo projétil é descrito pelo imagem abaixo: Figura 7. Pêndulo antes e depois da colisão Para determinar o valor da velocidade do projétil ( antes da colisão e o ) v0 valor da velocidade do sistema pêndulo + projétil ( , usou-se a conservação do )v1 momento linear, no qual todas as velocidades estão no sentido positivo x, logo, a lei da conservação do momento linear descrita na introdução nos dá a possibilidade de isolar as velocidades: mprojétil × m m )v0 = ( projétil + pêndulo × v1 Isolando , temos quev0 .(m m ).v1]/mv0 = [ projétil + pêndulo projétil No início do segundo momento, o sistema formadopelo projétil e pêndulo possui energia cinética . O conjunto projétil-pêndulo ((m m ).v ²)K = ½ projétil + pêndulo 1 oscila para cima e atinge o repouso momentaneamente em uma altura no qual a y energia cinética é igual a zero e sua energia potencial é igual a e logo após ele oscila descendo, sendo:m m )gEpotencial = ( projétil + pêndulo y , logo, (m m ).v ²½ projétil + pêndulo 1 = m m )gy( projétil + pêndulo v1 = √2gy Substituindo esse resultado na equação do momento linear, obtemos o valor de v0 : )m mv0 = ( projétil + pêndulo √2gy m/ projétil Aplicando os valores coletados experimentalmente, considerando tem-se:, m/s²g = 9 8 , v0 = 0,02387 (0,02387+0,1846).. √2.9,8.0,0785 0, 0 ± 0, 4 m/s v0 = 1 8 3 O valor de é encontrado através da equação:v1 , = = .v1 = √2gy v1 √2.9, .0, 7858 0 , 4 ± 0, 8 m/s1 2 2 Energia cinética imediatamente após a colisão Com a velocidade após a colisão calculada, é possível encontrar a energia cinética: = .cE = 2 (m + m ) v ²projétil pêndulo 1 → 2 0,20847. 1,5376 , 60 ± 0, 55J0 1 0 Energia potencial na altura máxima do conjunto pêndulo + projétil Seguindo a mesma linha de pensamento, calculamos a energia potencial no momento em que o sistema atinge a altura máxima: = .Ep = m m )g( projétil + pêndulo y , 60 ±0, 58 J0 1 0 Os valores fazem sentido, pois desconsiderando a resistência do ar, após a colisão, a energia mecânica do sistema bloco + projétil fica constante e, durante a subida do bloco, a energia cinética se transformará totalmente em energia potencial da gravidade. Assim, a relação entre as velocidades interpreta a transformação da energia cinética em energia potencial gravitacional. O momento linear do conjunto pêndulo + projétil imediatamente após a colisão Com a massa do conjunto, dada por = 0,2084kg e a velocidade após a m colisão v=1,24m/s, obtemos o momento linear do conjunto: .vQ = m Q 0, 084.1, 4 0, 585. = 2 2 = 2 O momento linear do projétil antes da colisão De modo análogo, obtemos o momento linear do projétil antes da colisão, em que a massa é dada por m=0,0238kg e a velocidade por v=10,8m/s: .vQ = m Q , 238.10, 0, 577. = 0 0 8 = 2 Observando os momentos calculados, é possível afirmar que o momento do projétil é igual ao momento do sistema todo após a colisão, isto é, o momento linear se conserva. O momento linear do pêndulo antes da colisão Como antes da colisão o pêndulo estava parado, e portanto , o v = 0 momento linear é nulo: .Q = 0 Cálculo 2: Momento angular - Considerando como corpo extenso Será considerado para essa prática que o pêndulo balístico e a esfera de metal são um corpo extenso. Logo, o sistema considerado é ilustrado na Figura 3 . Figura 8. Acoplagem do projétil de massa “m”, ao bloco de massa “M”, sendo “l” a distância até o centro de massa , “a” o ângulo máximo de deslocamento do sistema (projétil mais esfera) e h a altura máxima. Usando o sistema bloco M mais esfera de metal m como um corpo extenso, pode-se calcular a altura máxima (h max) atingida pelo projétil e pelo pêndulo pela equação discutida a seguir: cos θ l hmax = × De acordo com a figura 8 , a altura máxima pode ser escrita como: Para tal cálculo, são necessários o ângulo médio obtido l a. hmax = − θ experimentalmente e a distância do centro de massa dados por 15º e 0,300 0,05 ± m, respectivamente. Assim, aplicando os dados à equação anterior: cos 15º 0, 00a = × 3 0, 89 , 05 ma = 2 ± 0 0 Obtemos, então, hmax : l a hmax = − = hmax , 00 , 890 3 × 0 2 = hmax , 11 , 02 m0 0 ± 0 0 A energia potencial na altura máxima do conjunto após a colisão Ao encontrarmos a altura máxima e considerando um sistema ideal, ou seja, conservativo, podemos calcular a partir da altura máxima, a energia potencial gravitacional ( ) do sistema após a colisão:Egrav mEgrav = × g × h A massa do sistema é 0,208kg, consideraremos a gravidade comom g 9,81m/s² e conforme calculamos, a altura máxima atingida h máx é . Assim,, 11 , 02 m0 0 ± 0 0 0, 08 9, 1 0, 11Egrav = 2 × 8 × 0 = Egrav , 22 , 2 J0 0 ± 0 0 Imediatamente após a colisão, a energia mecânica da esfera se transforma em energia cinética do sistema. Assim, partindo do Teorema da Energia Mecânica (TEC), podemos dizer que a originou-se da Energia Cinética ( ). Dessa Egrav Ec forma, considerando que no instante após a colisão, a altura é zero e a velocidade é máxima, assim como no instante em que o sistema atinge , a velocidade é nula, hmax calculamos: =EΔ mecinicial EΔ mec f inal Ec = Egrav m2 m × vf 2 = × g × h v 2 f 2 = × g × h v f = √2 g h× × v f = √2 9, 1 0, 11× 8 × . 0 v 0, 650 , 2 m/s f = 4 ± 0 0 A energia cinética do conjunto imediatamente após a colisão Ao encontrar a velocidade final ( ), podemos calcular a do sistema por:vf Ec Ec = 2 m× vf 2 Ec = 2 0,208 × 0,4652 0, 225 , 2 JEc = 0 ± 0 0 O momento angular do conjunto imediatamente após a colisão O cálculo do momento angular pode ser feito pela equação . p en θ l = × r × s Dessa forma, considerando o ângulo de subida ( ) como e com os seguintes θ 90° dados da Tabela B, temos: Momento linear do conjunto (m) (Projétil + Pêndulo) Distância do projétil a origem do referencial (r) sen 90º (o seno do ângulo entre o braço de alavanca e a força) 0,2585 Kg.m/s 0,300 0,05m± 1 Tabela B. Dados experimentais verificados em laboratório. p en θ l = × r × s 0, 585 , 00 l = 2 × 0 3 × 1 0, 7755 , 05 m /s l = 0 ± 0 0 2 O momento angular antes da colisão (pêndulo e projétil separados) Para o momento angular antes da colisão, ao considerar pêndulo( ) e lpend projétil( ) objetos de estudos separados, podemos calcular para nesse lproj 0ºθ = 9 primeiro caso : Projétil p en θ l proj = × r × s 0, 577 , 00 lproj = 2 × 0 3 × 1 0, 7731 , 05m /s lproj = 0 ± 0 0 2 Pêndulo Para o cálculo de como o ângulo considerado é em relação ao lpend movimento executado e o pêndulo acompanha o movimento, pode-se dizer que o ângulo é nulo, logo: p en θ l pend = × r × s 0 l = /sm2 O momento de inércia referente a rotação Para o momento de inércia referente a rotação do sistema pendular a equação usada foi . Assim, os cálculos foram: m . rI = 2 m rI = × 2 0, 08I = 2 × 0, 003 2 0, 187 kg.mI = 0 CONCLUSÃO Com base no experimento realizado sobre o pêndulo balístico foi possível obter e notar algumas reflexões e observações acerca do assunto. Através das duas etapas do experimento, antes do projétil colidir com o pêndulo e depois da colisão, já com o bloco pêndulo + projétil foi possível avaliar que houve a conservação do momento linear e da energia mecânica do sistema. Ao analisarmos a primeira parte do experimento concluímos que houve conservação da energia ,de modo que a energia cinética foi convertida em energia potencial com o respectivovalor para ambos os casos,comprovando a , 60 J0 1 conservação. Foi também possível analisarmos que houve a conservação do momento, pois tanto o projétil que apresentou momento linear no valor de , 5770 2 antes da colisão,de modo que mesmo após a colisão com o pêndulo, o momento linear para a composição da caixa mais o projétil foi de ,comparando também 0, 585 2 que houve a conservação do momento. No segundo caso, foi analisado como corpo extenso,de modo a apresentar o valor da altura máxima do projétil após a colisão,de maneira que tal , 11 , 02 m0 0 ± 0 0 altura foi alcançada após a conversão da energia cinética em energia potencial,acarretando o deslocamento em altura. Com essa altura foi possível calcular a energia potencial,obtendo .Dessa forma, considerando que , 22 , 2 J0 0 ± 0 0 no instante após a colisão, a altura é zero e a velocidade é máxima, assim foi obtido o valor da velocidade final de e com isso foi possível obter o 0, 650 , 2 m/s 4 ± 0 0 valor da energia cinética , demonstrando que não houve a 0, 225 , 2 J 0 ± 0 0 conservação da energia, onde talvez tenha sido perdida para o meio. Por fim, calculamos os momentos angulares nos casos conjunto imediatamente após a colisão com valor , momento angular , 7755 , 05 m /s0 0 ± 0 0 2 antes da colisão (pêndulo e projétil separados) com o valor para o pêndulo e para o pêndulo, considerando ambos a 90° entre0, 7731 , 05m /s 0 ± 0 0 2 0 /sm2 si.Por fim foi calculado o momento de inércia referente a rotação com o valor de e assim concluímos que para os dois primeiros casos o momento, 187 kg.m0 0 angular é mantido, já para o último caso o momento é bem menor se comparado aos outros primeiros. Após todas essas considerações, notou-se que os valores para um corpo extenso são aproximados em relação à primeira análise,de modo que tal variação pode ter resultados errôneos durante análise dos sistemas, podendo influenciando os resultados comparados. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1]Disponível em <https://www.algosobre.com.br/fisica/balistica-e-lancamento-de-projetil.html >. Acesso em 08.06.2018 [2]Disponível em <https://www.sofisica.com.br/conteudos/Mecanica/Dinamica/quantmov.php>. Acesso em 08.06.2018 [3]Disponível em <https://vamosestudarfisica.com/conservacao-do-momento-angular-o-que-significa/> . Acesso em 08.06.2018 [4]Professora Dra. Thaciana Malaspina, Roteiro “Pêndulo balístico”. [5]Disponível em <https://www.infoescola.com/mecanica/momento-de-inercia/>. Acesso em 08.06.2018 [6]Disponível em <https://www.respondeai.com.br/resumos/4/capitulos/1>. Acesso em 08.06.2018