As experiências na disciplina de Físca II, UGCG, Cuité, 2018.1, turno manhã, ministrada pelo professor Rafael Rodrigues são realizadas com materiais de baixo custo. Esta turma é composta por estudantes dos cursos de Licenciaturas em Física, Matemática e Química da unidade acadêmica de Física e matemática.
O experimento a seguir poderá ser executado para estudantes do segundo ando do ensino médio da escolas brasileiras.
Aceleração da Gravidade através da Vazão no Escoamento de Liquido
Vamos consider um escoamento de Líquido estacionário (a quantidade de água que entra é igual a que está saindo), irrotacional, incompressível e não-viscoso. Uma das atividades práticas foi a determinação da aceleração da gravidade através da vazão no escoamento de liquido. A vazão Q é a taxa de variação do volume V por unidade de tempo, ou seja,
Q=⊿V/⊿t ⟹ Q=va . Eq(1).
Com a área do orifício sendo a. Podemos determinar a velocidade v através de 3 maneiras: i) usando a equação de Torricelle da cinemática, ii) usando a equação de Bernoule ou iii) usando a equação da conservação da energia.
Usando o princípio da conservação da energia mecânica total, sendo a soma da energia cinética e potencial, obtemo:
Antes, a velocidade é nula. Nesta caso a energia mecânica é a energia potencial gravitacional, ou seja, EMA=mgh. No instante logo após iniciar o escoamento, a energia mecânica é a energia cinética, ou seja,
EMD=(mv2)/2.
Como
EMA=EMD⟹ mgh=(mv2)/2,
cancelando a massa, obtemos a velocidade em termos da aceleração da gravidade (g) e da altura(h), ou seja,
v=(2g'h)1/2 . Eq(2).
Neste caso, a vazão torna-se:Q=va= a(2g'h)1/2 =a (2g')1/2 (h)1/2 Eq(3).
Portanto, usando os dados experimentais da tabela preenchida por cada estudante, construindo um gráfico da vazão Q versus a raiz quadrada de h, (h)1/2 obtém-se uma reta. Esta reta será aquela que passa mais próxima possível dos pontos experimentais. Escolhendo dois pontos em cima da reta, vemos que o coeficiente angular será dado pelo quociente entre a variação da vazão pela variação da raiz quadrada da altura, ou seja,
C= (Q_2-Q_1)/[(h_2)1/2-(h_1)1/2] Eq(4)
Por outro lado, a partir da Eq(3), vemos que o coeficiente angular é dado por
C=a (2g')1/2 .
C=a (2g')1/2 .
No regime estacionário, a vazão de entrada é igual a vazão de saída.
Segue abaixo a atividade experimental 3, usando os comandos do Latex:
\documentclass[preprint,aps]{revtex4}
\begin{document}
\centerline{ \bf F\'ISICA II -UAE-CES-UFCG- Experimento 3}
\noindent{Pofessor: Rafael de Lima Rodrigues \hrulefill PER\'IODO 2018.1}
\noindent{Aluno(a): \hrulefill {\bf Boa Sorte.} Primeiro per\'\i odo 2018.}
\noindent 1) Escoamento de L\'\i quido. Procedimento experimental. Encher
o tubo cil\'\i ndrico de \'area da base $A$ com \'agua a uma altura qualquer. Regulando a sa\'\i da de \'agua da torneira, procurar manter o n\'\i vel de \'agua estacion\'ario (isto \'e,
a \'agua entra no tubo pela torneira (mangueira), com a mesmaa vaz\~ao que
saiu pelo orif\'\i cio de \'area $a$, mantendo a altura $h$ constante.
Pegar a \'agua que saiu pelo furo com a caneca, marcando o tempo, medir
seu volume na bureta. Repetir cinco vezes, para cicno alturas quaisquer,
o mesmo procedimento. Utilizando o paqu\'\i metro(ou uma r\'egua), medimos o di\^ametro interno do tubo (digamos, $D=2R=4,70cm$)
e o di\^ametro do orif\'\i cio (exemplo, $d=2r=0,10cm)$. Leia mais
\begin{center}
\begin{tabular}{||lllll||lr||} \hline
$N_i$\vline $h(cm)$\vline & $\sqrt{h(cm)}$ \vline & $\Delta V(cm^3$ \vline & $\Delta t(s)$\vline & $Q\left(\frac{cm^3}{s}\right)$\\
\hline
$N_1$ \vline & {}\vline & {}\vline & {}\vline & {}\vline \\
\hline
$N_2$ \vline & {}\vline & {}\vline & {}\vline & {}\vline\\
\hline
$N_3$ \vline & {}\vline & {}\vline & {}\vline & {}\vline \\
\hline
$N_4$ \vline & {}\vline & {}\vline & {}\vline & {}\vline \\
\hline
$N_5$ \vline & {}\vline & {}\vline & {}\vline & {}\vline \\
\hline
\end{tabular}
\end{center}
Com $N_i$ sendo a ordem das medidas.
Lembre-se que a vaz\~ao $Q=\frac{\Delta V}{\Delta t}=v_a
a=a\sqrt{2gh},$ para $\left(\frac{a}{A}\right)^2<<1.$
Esbo\c{c}ar, em papel milimetrado, um gr\'afico $Q$x$\sqrt{h}.$
2) \noindent {\bf Quest\~oes} a) Quando voc\^e esbo\c{c}ou o gr\'afico $Q$x$\sqrt{h}$
deu uma reta? Em caso afirmativo, que conclus\~ao se pode tirar? b) A partir do gr\'afico obtido, determinar a
acelera\c{c}\~ao da gravidade? A acelera\c{c}\~ao obtida
experimentalmente \'e maior ou menor que a te\'orica, quando se
imagina nulo o atrito? c) Utilizando o valor encontrado para a acelera\c{c}\~ao
experimental calcule o erro relativo, comparando com o valor de grande precis\~ao
$g= 978\frac{cm}{s^2}$.
%\vspace{1.0cm}
%
\noindent 3) Varia\c{c}\~ao da press\~ao com a profundidade. Determine o alcance em fun\c{c}\~ao da profundidade h, quanto
maior a profunidade maoir ser\'a o alcance. Neste caso, devemos considerar
tamb\'em o desn\'\i vel entre o recipiente com \'agua e o local onde a \'agua
sr\'a jogada.
A equa\c{c}\~ao do alcance \'e
obtida através das equa\c{c}\~oes da cinem\'atica de Galileu, o movimento
na horizontal n\~ao sofre o efeito da gravidade, ou seja,
$x=v_xt,$ onde a vlocidade foi calculada na qust\~ao anterior. O tempo pode ser calculado atrav\'es da equ\c{c}\~ao hor\'aria do movimento na vertical.
Esolhendo a orienta\c{c}\~ao positiva para baixo: $y=y_0+v_{0y}t+\frac 12 gt^2.$
\end{document}
Na aula do período 2017.1, usamo a equação de Torriceli para obtermos a velociadade, quem interessar, clique emVeja nas fotos abaixo como determinar a velocidade usando a equação de Bernoulli.Veja também o paradoxo hidrostático e uma aplicação do elevador hidrostático.Paradoxo hidrostáticoElevador hidrostático
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