sexta-feira, 22 de agosto de 2025

Aula 24-2025.1-Instrumentação I- Pêndulo de Torção e conservação do Momento Angular com o professor Rafael, nesta sexta, 22

 

O professor Rafael, na sala de aula da disciplina de instrumentação I do curso de Licenciatura em Física.

 No movimento de rotação de um corpo rígido, em cada ponto, a velocidade tancendial (velocidade linear v) é diferente e a velocidade angular é constante. Pois, um corpo rígido é definido como tendo todos os pontos girando em um mesmo ângulo, durante um certo intervalo de tempo. Neste caso, considerando o eixo de rotação fixo, em um certo referencial inercial, podemos definir a velocidade angular e aceleração angular.






Velocidade  angular média (𝟂_m) e instantânea  (𝟂).

𝟂_m = ΔΘ/Δt,  

com Δt sendo o intervalo de tempo e  ΔΘ é a    

𝟂 = dΘ/dt.

Aceleração angular média  (𝛂_m) e instantânea (𝛂).

𝛂_m= Δ𝟂/Δt,

𝛂= d𝟂/dt.

Ao invés de considerarmos os ângulos em graus, usamos a defincição do ângulo em radiano.

Em uma circunferência de raio R, um arco S dessa circunferência, delocado por um ângulo Θ é definido por:

S=RΘ⇔Θ=S/R.

Considerando, uma volta completa, o arco S será o comprimeto da circuferência, ou seja,

S=2𝛑R.

Então,

Θ=S/R=2𝛑R/R=2𝛑 radianos.

Unidades de medida:

Quando o ângulo for dado em radianos(rad), a velocidade  angular será dada em rad/s. 

Leia mais.


Rotação mantendo a acelração angular constante, obtém-se as equações da cinemática rotacional análoga a cinemática translacional do moveimento retílineo unifomemente variado(MRUV).

𝛂= d𝟂/dt⇔ ∫d𝟂=𝟂_o + 𝛂∫dt 

 𝟂=𝟂_o + 𝛂t.

𝟂_o é a velocidade angular constante.

𝟂 = dΘ/d⇔ ∫dΘ=Θ_o + 𝟂dt 

 Θ=Θ_o + ∫(𝟂_o + 𝛂t)dt=Θ_o + 𝟂_o∫dt + 𝛂tdt=Θ_o + 𝟂_ot + 𝛂t2/2,  

 Θ=Θ_o + 𝟂_ot + 𝛂t2/2 

Θ_o é o ângulo constante.

Torque

O torque, 𝛕, é definido pelo produto vetorial do vetor posição com uma  força externa. O vetor posição  tem origem no eixo de rotação e a extremidade no ponto de aplicação de uma força externa. 

𝛕= r x F = - Fx r,

calculado através do determinante da matriz quadrada tendo na primeira linha os vetores unitários, i, j e k. Na segunda linha as componentes do vetor posição, x, y e z. Na terceira linha, as componentes cartesianas do vetor força.

Se os vetores r e F estiverem no plano xy, então o vetor torque estará no eixo z, perpendicular a ambos. 

O vetor posição e suas componentes cartesianas em 3 dimensões, torna-se:

r =(x, y, z)= x i + y j+ z r .

O módulo do torque pode ser escrito como

|𝛕|=|r||F|sen(𝛉), 

com 𝛉 sendo o ângulo entre os vetores e F.  Ambos vetores são perpendiculares ao torque. 

Se os vetores e são paralelos𝛉=0, então, sen(0)=0 e o torque será nulo.

Torque em termos do momento de inércia e a aceleração angular:

 𝛕=I⍺.

Regra da mão direita, para a direção do torque.


Momento angular

O momento angular é definido pelo produto vetorial dos vetores posição e momento Linear. O seu módulo é dado por:

|L|=|r||p|sen(𝛉), 

com 𝛉 sendo o ângulo entre os vetores posição e o momento Linear p.

 O momento angular pode ser escrito em termos do momento de inércia também,   multiplicado pela velocidade angular 𝞈.

L=I 𝞈.

Enquanto a velocidade linear é diferente para diferentes pedaços de um corpo rígido, a velocidade angular é sempre a mesma .

O teorema do torque e o momento Angular mostra que o torque é uma medida da taxa de variação no tempo do momento angular.

 𝛕 =dL/dt.

Neste caso, vemos que a condição necessária e suficiente para o momento Aguiar ser uma constante de movimento é o torque externo ser nulo.

Pêndulo de torção

A) Previsão do comportamento do sistema ao oscilar (a massa pendular executa oscilações, em movimento Harmônico Simples-MHS angular, com torção do fio).

A1) Investigação sobre a lei do torque τ, restaurador, do fio F sobre a massa pendular M. Faz-se com auxílio do torquímetro. ( Para pequenas torções, τ é proporcional ao ângulo de torção Θ )



O módulo de torção do fio é p = Δ | τ | / ΔΘ.

A2) Determinação do momento de inércia da massa pendular M. No caso, M & um cilindro:
 I = 1/2 MR²

A3) Por meio da teoria sobre o movimento do sistema, deduz-se a expressão do período de oscilação: 
T= 2𝛑(I/p)¹/²

A4) Faz-se a previsão do período T , utilizando a expressão anterior e os valores numéricos de I e p encontrados.

B) Mede-se o período T' de oscilação do pêndulo:
T' = Δt /n 
( At é o tempo medido com um  cronômetro; n é o  número de oscilação)

C) Comparam-se T e T'. Etc.


Momento angular na prática. Quando você está em uma cadeira giratória, jogando pião ou em uma bicicleta. Quanto maior a velocidade maior o momento angular e mais fácil de você equilibrar em uma bicicleta. 

Segue um vídeo gravado no laboratório de Física da UFCG, campus Cuité-PB.

 

A força de atração entre dois corpos é uma propriedade geral dos corpos massivos, baseada na força gravitacional é uma lei universal, valendo para corpos próximos da superfície da  terra e nu universo. 

Calculando as componentes cartesianas do vetor momento angular, usando a permutação cíclica.

Veja mais imagens

No movimento circular uniforme(MCU) o módulo da velocidade tangencial é constante. No MCU há uma aceleração centrípeta devido a mudança de direção do vetor velocidade.

a=v2/R

Veja  mais


Torque em uma chave de roda, na troca de um pneu.




A relação entre a velocidade linear(tangencial)  v e a velocidade angular, torna-se: 
v=𝞈R.
Energia Cinética de Translação e  Rotação.

A energia cinética de translação  para um corpo de massa m, em movimento, é definida como sendo o produto do quadrado da sua velocidade e dividido por 2.


Note que o momento de inércia depende da massa e do módulo do vetor posição, como a massa não varia, quando você está em movimento rotacional na cadeira giratória, a velocidade angular aumenta e o módulo do vetor posição, r, deve diminuir para o momento angular se conservar.



Professor Rafael Rodrigues realizando atividades no laboratório de Física da disciplina de Física Geral e Experimental I da UFCG, campus Cuité-PB, tendo estudantes dos cursos de matemática e química do centro e educação e saúde (CES).




Matérias relacionadas.

 Duas grandezas físicas que surgem quando o sistema está em movimento rotacional: torque e momento angular. Veja o vídeo gravado na UFCG, campus Cuité-PB.


Veja um excelente documentário sobre as descobertas de Galileu, entre elas a cinemática, as 4 Luas  do planeta Júpiter, etc.


Aula 23 - 2025.1, Instrumentação I, Energia das oscilações e Ondas, ministrada pelo professor Rafael, nesta sexta-feira, 22/08...
No final dessa aula tem o link das aulas anteriores.
 

 Blog rafaelrag

2 comentários: