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LABORATÓRIO DE FÍSICA I
Mesa de Força
1. OBJETIVOS DA ATIVIDADE
Verificar experimentalmente o equilíbrio estático de forças e a sua caracterização a partir dos vínculos que agem no sistema.
Identificar a força resultante R
e a força equilibrante E
num sistema de forças convergentes. Determinar analiticamente parâmetros de situações de equilíbrio estático. Determinar o erro percentual entre resultados experimentais e resultados analíticos, de situações de equilíbrio estático.
OBSERVAÇÃO: Nesta aula não avaliaremos as incertezas nas medidas.
2. MATERIAL
Mesa de forças; Corpos com massas identificadas e respectivos suportes; Balança analógica.
3. CONCEITOS INICIAIS
Os fundamentos teóricos utilizados nesta experiência foram já estudados e aplicados nas aulas de teoria e exercícios.
A condição básica para o equilíbrio de forças que convergem num único ponto é:
1 2 ...^0 1
F F F Fn R
n
i
Para um sistema de duas forças, pode-se encontrar uma terceira força, que somada às duas anteriores, equilibra o sistema. Esta força é
denominada força equilibrante E
.
1 2 0
F F E ^ (^2 )
A resultante das forças F 1
e F 2
, é R
. Portanto, sendo R F 1 F 2
,
pode-se concluir que:
0
R E ^ R^ E
Ou seja, a força resultante possui mesmo módulo, mesma direção e sentido oposto da força equilibrante.
4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
- Nivelar a mesa de força. Após o nivelamento não mude a posição da mesa, o que pode tirá-la do nível.
- Prender os corpos com massas indicadas no QUADRO 1 , nas correspondentes posições indicadas. a. Para os ângulos indicados no QUADRO 1 , posicione os fios 1, 2 ou 3. Observe que os ângulos devem ser medidos a partir da graduação zero do disco. Fixe a polia no disco por onde passa o fio após ter a direção localizada. b. Utilize as massas indicadas no QUADRO 1 , para os respectivos fios.
- Anote nos campos em branco do QUADRO 1 os resultados obtidos.
- Na Atividade 2 faça, para cada experimento realizado, o DCL para o anel central. Em seguida, escolha um sistema conveniente de eixos cartesianos e determine a projeção dos vetores das 3 forças que agem no anel.
- Ainda na atividade 2, determine analiticamente o ângulo e a força equilibrante das situações propostas.
- Para cada resultado obtido experimentalmente, ângulo e força, e o correspondente calculado, determine o erro percentual, que é definido por:
Valorcalculado
Valorcalculado Valorexperimental
%
LABORATÓRIO DE FÍSICA I
Mesa de Força
Grupo Turma Laboratório Equipe Data Nota
RA NOME ASSINATURA
Atividade 1 - Coleta de Dados
QUADRO 1 – Condições das situações de equilíbrio a serem reproduzidas experimentalmente
Experimento (^) Fio Massa (g) Força correspondente ao peso da massa (N)^ º
Obs.:
a) A força peso é dada por P = m.g, sendo g = 9,81m/s^2. b) Lembre-se que 1 N = 1 kg.m/s^2.
QUADRO 3 – Resultado para a determinação analítica dos valores do experimento 1.
Fio Massa (g) Força correspondente massa (N)^ ao peso da^ º 1 105,0 0 2 100
3 230
OBS.: A força no fio 3 corresponde ao valor da força que equilibra as forças F1 e F2. Esta força F3 é conhecida como equilibrante.
- Determinação o Erro Percentual entre os valores obtidos no experimento e os valores calculados.
QUADRO 4 – Erro percentual entre valores obtidos experimentalmente e analiticamente. Valor Calculado Valor Experimental E% m 2 (kg) m 3 (kg)
EXPERIMENTO 2
- Represente no QUADRO 5 , os dados obtidos no experimento 2.
QUADRO 5 – Dados relativos ao experimento 2 de equilíbrio.
Fio Massa (g) Força correspondente (N)^ ao peso da massa^ º 1 105,0 0 2 80,
3 50,
OBS.: A força no fio 3 corresponde ao valor da força que equilibra as forças F1 e F2. Esta força F3 é conhecida como equilibrante.
Represente o DCL referente ao experimento 2.
- Determine analiticamente, os valores dos ângulos que colocam a situação experimental 2 em equilíbrio. Lembre-se que se há equilíbrio, a equação (1) deve ser satisfeita. Indique todos os cálculos efetuados para a obtenção desses resultados.
EXPERIMENTO 3 – EXEMPLO
Como exemplo, o EXPERIMENTO 3 está resolvido na sequencia.
- Represente no QUADRO 8 , os dados obtidos no experimento 2.
QUADRO 8 – Síntese de dados e resultados do experimento 3.
Fio Massa (g) Força correspondente massa (N)^ ao peso da º 1 105,0 1,03 0 2 55,0 0,540 90 3
A configuração experimental do equilíbrio desta situação pode ser visualizada na Figura 1.
Figura 1 – Configuração do experimento realizado na Mesa de Força.
Figura 2 – Representação dos vetores e sistema de eixos para o experimento.
- Determine analiticamente, os valores dos ângulos que colocam a situação experimental 2 em equilíbrio. Lembre-se que se há equilíbrio, a equação (1) deve ser satisfeita. Indique os resultados no QUADRO 8. Indique todos os cálculos efetuados para a obtenção desses resultados.
Equacionando o equilíbrio da situação da Figura 1 , para um diagrama cartesiano com eixo x coincidente com a força a 0º, como indicado na Figura 2 , teremos:
0 1
(^)
n
i
R Fi
1 2 3 0
^ R F F F
2 3 0
1
3 0
1 2
y y y
x x x
F F F
F F F
2 3
1 3
y y
x x
F F
F F
3
3
y
x
F
F
1 , 030 cos 0
3
3
F sen
F
cos 1 , 030
3
3
F sen
F
3 cos
3
F
Fsen
tg 0 , 5242
arctg 0 , 5238 27 , 66 ^ ^28
Como se pode observar, o vetor deve estar no 3º quadrante, uma vez
que suas componentes são negativas. Portanto, devemos somar ao ângulo
encontrado 180º, o que dá:
Substituindo em x, teremos:
F 3 cos 208 1 , 030 F 3 ( 0 , 8829 ) 1 , 030 F 3 1 , 167 N
Para g=9,81m/s^2 , teremos:
m 3 118 , 91 g , portanto, m^ 3 ^1 ,^19 x^102 g
- Determinação o Erro Percentual entre os valores obtidos no experimento e os valores calculados. A partir dos dados obtidos no Experimento 3, determine o erro percentual
para a massa 3 e o ângulo 3.
QUADRO 9 – Erro percentual entre valores obtidos experimentalmente e analiticamente. Valor Calculado Valor Experimental E% m 3 (kg)
