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quinta-feira, 3 de novembro de 2022

Aula 11-Física IB-Período de Sistemas Periódicos: pêndulo simples e oscilador massa-mola, ministrada pelo professor Rafael

 Nesta quinta-feira, 3 de novembro, dando continuidade as aulas da disciolina   de Física IB do período letivo atrasado 2022.1, ministrada pelo professor Rafael Rodrigues,  teremos a aula 11, sobre a aplicação da 2a. Lei de Newton na determinação do período(tempo periódico) do oscilador  harmônico simples do sistema massa-mola,  disponível no  portal de notícias  rafaelrag, blog ciências e educação. Professor Rafael Rodrigues(UFCG, campus Cuité).

No final desta aula, apresentaremos um Kit sobre a verificação experimental do Período do oscilador massa-mola, sendo optativo para a disciplina de Física IB.

 


Veja mais 






Você utilizará 4 massas diferentes para obter 4 constantes elásticas diferentes. A massa m que entra na equação do período pode ser qualquer uma que você escolher, podendo ser qualquer uma que deve ser colocada no porta-massa.


Coordenada de posição, velocidade e aceleração:





Exercícios

1) Usando  a equação da energia potencial elástica de um oscilador massa-mola, determine a massa m de um bloco  preso na extremidade de uma mola, tendo uma constante elástica de 40N/m, oscilando em uma mesa lisa (sem atrito).   A velocidade máxima  do movimento é de 1m/s e a amplitude sendo  8cm.

Solução

Massa: m=?  Constante elástica: k=40N/m. Velocidade máxima v=1m/s. A=8cm=(8/100)m.

Usando a lei de conservação da energia mecânica, quando o carrinho estiver em x=4cm=0,04m temos somente a energia potencial elástica (E_pe) e a energia cinética máxima (E_c) ocorre em x=0. Portanto,   E_c=1/2(mv2)=E_pe =1/2(kA2), ou seja,  mv2 = kA2  
   mx12 = 40 x0,082          ------------          m=40 x(8/100)2      
Logo, obtemos m= 32/1000=0, 032, ou seja, m=0, 032kgkg.

Segue a lista de exercícios propostos. 

\documentclass[preprint,aps]{revtex4}
\begin{document}
\centerline{  \bf   F\'ISICA IB-UAFM-CES-UFCG-Lista IV-Sistemas Peri\'odicos}

\noindent{Professor: Rafael de Lima Rodrigues \hrulefill  PER\'IODO 2022.1}

\noindent{Aluno(a): \hrulefill Aten\c{c}\~ao!
{\bf Boa Sorte.} 03-11-22
}


\vspace{0,5cm}


\noindent 1) Lei de Hooke. As for\c{c}as deformantes s\~ao proporcionais \`as deforma\c{c}\~oes
el\'asticas produzidas.
Voc\^es j\'a viram na aula remota da disciplina de intro\c{c}\~ao F\'\i ca
 como medir o  per\'\i odo do oscilador
massa-mola, para uma mola com uma extremidade fixa na vertical e uma massa
$m$ na outra extremidade. Um segundo sistema com
duas molas, sendo o sistema anteriror com a outra extremidade ligado
na massa uma outra mola 
em uma base na mesa. a) H\'a diferen\c{c}a na equa\c{c}\~ao do per\'\i odo de oscila\c{c}\~ao
dos respectivos osciladores? Justifique a sua resposta. 
b) Qual dos dois osciladores se aproxima do movimento harm\^onico simples?
Justifique a sua resposta.

\vspace{0.5cm}

\noindent 2) Uma mola ideal sem massa, com constante el\'astica $k,$ pode ser comprimida
$1,0m$ por uma for\c{c}a de $100N.$ Esta mola \'e colocada na base
de um plano inclinado sem atrito, que forma um \^angulo $\theta=
30^o$ com a horizontal. Um corpo de massa $M=10kg$ \'e liberada do alto
do plano e p\'ara momentaneamente ap\'os comprimir a mola $2,0m.$
(a) Qual a dist\^ancia percorrida pelo corpo? (b) Qual a velocidade
do corpo no momento em que atinge a mola?

\vspace{0.5cm}

\centerline{Solu\c{c}\~ao}

%\begin{figure}[h]
%\centering\epsfig{file=fte1-mec.eps,width=8cm,height=6cm,angle=-360}
%\end{figure}

Calculando a constante el\'astica, $k,$ temos:

$$
F= kx \Rightarrow 100N= k(1,0m) \Rightarrow k= 10N/m.
$$
A energia potencial gravitacional, $E_{pg}= mgy$ \'e nula em $y=0$ (ponto
de refer\~encia).
A energia potencial el\'astica, isto \'e, a energia potencial da mola,
$E_{pe}= \frac 12 kx^2.$

\noindent a) Usando o conceito de conserva\c{c}\~ao da energia mec\^anica em
$y=0$ e $y= h,$ obtemos:

$$
E_{Mi}=E_{Mi}\Rightarrow E_{pgi}+E_{pei}+E_{ci}= E_{pf} + E_{pef}+E_{cf}.
$$
De acordo com os dados, temos: $E_{pei}=E_{ci}=E_{pf}=E_{cf}= 0.$

$$
\Rightarrow mgh + 0 + 0= 0 + \frac 12 kx^2 + 0 \Rightarrow h=...
$$

Note que o comprimento do deslocamento $D$ \'e dado por:

$$
D= \frac{h}{cos30^o}= 2,04\hbox{x}\frac{2}{\sqrt{3}} \Rightarrow D=...
$$

\noindent b) Usando novamente a lei de conserva\c{c}\~ao da energia mec\^anica
em $y=0$ e $z= h-xsen\theta= 2,04-2\frac 12\Rightarrow z= 1,04m,$
obtemos: $mgz= \frac 12 mv^2 \Rightarrow v=...$

\noindent c) No movimento harm\^onciao simples do oscilador massa-mola as
fun\c{c}\~oes cinem\'aticas s\~ao fun\c{c}\~oes trigronom\'etricas seno e
cosseno, justificando o termo harm\^onico. Escolhendo a fase inicial nula,
$\phi=0,$ desenhe as representa\c{c}\~oes
gr\'aficas da deforma\c{c}\~ao, velociadade e acelera\c{c}\~ao.   

\noindent 3) Um corpo de $2kg$ est\'a comprimindo de $20cm$ uma mola,
 cuja constante el\'astica da molaa \'e de $500N/m.$ O corpo \'e
liberado e a mola o projeta sobre uma superf\'\i cie horizontal sem
atrito e sobre um plano inclinado, de $45^o,$ tamb\'em sem atrito.
At\'e que altura o corpo sobe no plano inclinado e fica
momentaneamente em repouso, antes de retornar plano abaixo?

\vspace{0.5cm}

\centerline{Solu\c{c}\~ao}

A express\~ao da energia mec\^anica inicial ($E_{Mi}$) em termos da
compress\~ao da mola $x$ \'e: $E_{Mi}= \frac 12 kx^2$
e para a express\~ao da energia mec\^anica final em termos da altura
$h$ atingida pelo corpo temos? $E_{Mf}= mgh.$

Aplicando a conserva\c{c}\~ao da energia mec\^anica e resolvendo a
equa\c{c}\~ao em termos de $h,$ ou seja, 

$$
E_{Mi}=E_{Mf} \Rightarrow mgh= \frac 12 kx^2 \Rightarrow h=...
$$

\vspace{0.5 cm}

\noindent 4) { \bf Duplo Cilindro.} Considere um  duplo cilindro que executa oscila\c{c}\~oes, em MHS angular em torno do eixo, por a\c{c}\~ao de duas molas, respons\'aveis e pelo torque restaurador durante o movimento da pe\c{c}a. 
a) Prever teoricamente o comportamento do sistema durante as oscila\c{c}\~oes, ou seja, deduzir a express\~ao do per\'\i odo $T$, em fun\c{c}\~ao dos par\^ametros do sistema: momento de in\'ercia  do s\'olido, em rela\c{c}\~ao a seu eixo, $I_D$; constantes de elasticidade, $k_1$ e $k_2$, das molas; raio da circunfer\^encia do cilindro maior, por onde passa o fio que liga as molas, etc.

\noindent 5) a) O que acontece com o per\'\i odo de um p\^endulo simples,
executa pequenas oscila\c{c}\~oes, se for triplicado o seu comprimento? b)
Para adiantar um rel\'ogio de p\^endulo, um relojoeiro novato aumentou a massa
do p\^endulo. O que aconteceu com o rel\'ogio?

\noindent 6) Tem-se uma mola $M$. Mostram-se diversos sistemas massa-mola,
usando $M$ e sucessivamente v\'arios pesos de massas conhecidas $m_1, m_2, m_3, \cdots $ (em gramas), s\~ao medidas de todos os sistemas, os respectivos
per\'\i odos de oscila\c{c}\~ao vertical $T_1, T_2, T_3, \cdots$(em segundos).
Suponha que se queira determinar a constante de elasticidade $k$ de $M$.
Para tanto, utilizando os dados referidos, prop\~oe-se construir um gr\'afico
linear. Como seria esse gr\'afico? Como seria usado o mesmo gr\'afico para
extra\'\i r-se $k$?

\vspace{0.5cm}

\centerline{  \bf  F\'\i sica  IB-UAFM-CES-UFCG- Experi\^encia
IV}
a
\noindent{Professor: Rafael de Lima Rodrigues \hrulefill  PER\'IODO 2022.1}

\noindent{Aluno(a): \hrulefill Aten\c{c}\~ao!
{\bf Boa Sorte.}
}


{\bf Optativo, para F\'\i sica IB- Experimento do per\'\i odo do oscilador massa-mola}

Fazer o Relat\'orio, contendo as seguintes etapas: capa, objetivos principal e espec\'\i ficos, materiais utilizados, fundamenta\c{c}~ao te\'orica, metodologia, cronograma, or\c{c}amento e refer\^encias.

Reta\'orio contendo as seguintes etapas: capa,  descri\c{c}\~ao do procedimento
experimental,
resultados, tabelas, gr\'aficos e conclus\~ao.

Objetivo principal: medir o per\'\i odo do oscilador massa-mola, executando o movimento
harm\^onico simples na vertical.

A for\c{c}a da mola,com a orienta\c{c}\~ao positiva para baixo, torna-se: $\vec F=-ky\vec j.$ 

Quando se tem o peso $\vec P=m\vec g,$ atado \`a extremidadade da mola, em equil\'\i brio,$
\mid \vec P\mid =\mid \vec F\mid . $
Considerando $y=A,$ a elonga\c{c}\~ao da mola para esse ponto, obtemos:
$
k=\frac{\mid \vec F\mid}{A}=\frac{\mid \vec P\mid}{A}.
$

Para determinar o valor da constante el\'astica da mola podemos usar o coeficiente
angular do gr\'afico de $\mid \vec P\mid$ versus $A$. Outra maneira seria
calcular 4 vezes os valores de $k_i$

$$
k_i=\frac{\mid \vec F_i\mid}{A_i}=\frac{\mid \vec P_i\mid}{A_i}=\frac{m_i}{A_i}g, \quad (i=1,
2, 3, 4).
$$
Colocando na equa\c{c}\~ao do per\'\i odo o valor da m\'edia aritm\'etica da constante el\'astica e escolher uma das massas $m=m_1$ ou $m_2$
ou $m_3$ ou $m_4$ para compor o sistema massa-mola,
$T=2\pi\sqrt{\frac mk}$, com $k=\frac{k_1+K_2+k_3+k_4}{4}.$

Usando um cron\^ometro, calcule o per\'\i odo experimental, escolhendo um
tempo e dividindo pelo n\'umero de oscila\c{c}\~oes.

\end{document}
Blog rafaelrag

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