Laboratório 6
Momento e Colisões
Universidade Federal de Itajubá
Instituto de Física & Química
Disciplina de Física I
Interações muito rápidas (como as colisões) ocorrem com frequência na natureza e são de difícil análise. Além de reduzido tempo de interação entre os corpos ou partículas, é grande a complexidade da colisão, que envolve deformação do corpo e mais de um tipo de força ou transferência de energia.
FAÇA e/ou ANOTE NA FOLHA DE DADOS:
1) Descreva de forma sucinta o aparato do seu experimento. Faça um desenho esquemático ou uma foto para o relatório.
2) Caracterize a balança utilizada(precisão de 1g e fundo de escala de 5100g), anotando na sua folha de dados: a) Marca e modelo; b) faixa nominal, precisão e erro.
3) Verifique se os carrinhos contêm: um ímã em uma extremidade e uma molinha na outra; uma moedinha amarela (para marcação no programa “Tracker”). Um dos carrinhos deve ter 100g de lastro (50g
de cada lado).
4) Tare a balança e meça a massa do carrinho “A” (o que tem 100g de lastro), “m
A”, junto com tudo que ele deve ter.Meça também a massa
do carrinho “B” (sem lastro), “m
B”. Anote-as na Folha de Dados.
5) Nivele o trilho com atenção. Esta experiência requer ausência de forças externas, portanto, deve-se evitar qualquer componente da força peso dos carrinhos ao longo do movimento.
6) Verifique se a câmera de filmagem tem carga em sua bateria e prepare-a para filmar com a máxima resolução possível. Se for necessário, consulte o manual da câmera.
7) Posicione a câmerade modo a ficar paralela ao trilho, de frente para o meio do mesmo. As colisões deverão ocorrer na metade do trilho (o campo de visão da câmera é em torno de 70 a 80 cm do trilho). Deve-se evitar que o reflexo das luzes do teto atrapalhem a filmagem.
8) A primeira colisão será tal que os carrinhos irão colidir pelas
extremidades com mola. Posicione os discos amarelos de
marcação, de modo que eles fiquem voltados para a câmera e no pino
mais próximo da extremidade com mola.
9) Ligue o compressor de ar, posicione o carrinho “A” no centro do trilho(“parado”, mas é permitido pequeno movimento) e o carrinho “B”
na extremidade do trilho, junto ao impulsionador.
10) Acione a filmagem e impulsione o carrinho “B”.A filmagem pode ser interrompida quando o carrinho “A” chegar à outra extremidade do trilho.
11) A segunda colisão será também pelas extremidades com mola, com os carrinhos “A” e “B” trocando de posição. Não se esqueça de reposicionar os discos amarelos de marcação. Repita os passos 9 e 10, com as posições dos carrinhos invertidas.
12) A terceira colisão será tal que os carrinhos irão colidir pelas
extremidades com ímãs. Os ímãs NÃO devem estar firmemente
acoplados aos carrinhos, deixe-os um pouco frouxos. Reposicione os discos amarelos de marcação. Repita os passos 9 e 10.
Por outro lado, o uso da quantidade de movimento ou momento para análise destas interações rápidas é ideal, pois além de quantificar o estado cinemático do corpo ou partícula, é uma grandeza conservada na ausência de forças externas, independente do tipo de colisão.
Experiência Proposta
Objetivos:
- Observar e medir a conservação do momento em colisões;
- Analisar grandezas cinemáticas em dois tipos de colisões;
- Efetuar medidas primárias de deslocamento e tempo;
- Calcular medidas secundárias de velocidade, momento e energia;
- Construir e analisar gráficos de grandezas cinemáticas;
- Calcular o centro de massa de um sistema colisional em movimento.
Materiais:
19) Adicione o bastão de medição, utilizando a escala do próprio trilho. A escala deve ser indicada em metros.
20) Crie um Ponto de Massa “A” ( Novo). Faça o template deste ponto (Crtl+Shift), bem em cima do (e um pouco maior que o) disco amarelo do carrinho “A”. Clique em “Search” para o autotracker obter os dados (t, xe y).
21) Modifique os dados de saída. Clique em “Dados” e selecione apenas “x”.
22) Salve os dados de saída do Tracker. No menu principal, em cima, vá em “Arquivo”, depois “Exportar”, depois “Arquivo de dados”. Abrirá uma nova janelinha. No campo “Células” escolha a opção “Todas as Células”. Clique em “Salvar Como”. Escolha o nome do arquivo, identificando a colisão e o carrinho (por exemplo, “C1A.dat”) e o diretório (desktop).
23) Crie um novo Ponto de Massa “B”( Novo). Faça o template deste ponto bem em cima do (e um pouco maior que o) disco amarelo do carrinho “B”. Clique em “Search” e depois repita os passos 21 e 22.
24) Repita os passos 15 a 23 para os outros três filmes das colisões.
25) Edite os arquivos de dados com o programa “Notepad” ou equivalente. Apague a primeira linha onde consta o nome do arquivo (algo como “massa_A”). Substitua todas as vírgulas “,” por pontos “.” (no menu em “Editar”, depois “Substituir”). Salve o arquivo no novo formato.
REDUÇÃO E ANÁLISE DOS DADOS:
26) Acione o programa “SciDAVis”. A cada procedimento completado, salve o arquivo de projeto no desktop para evitar surpresas desagradáveis.
27) Abra o arquivo de dados do carro “A” da primeira colisãona planilha do SciDAVis. Para tanto, no menu principal superior vá em “File”, depois “ImportASCII”. Procure o diretório e o arquivo e clique em “Open”.
28) Faça um gráfico de pontos da variação de xcontra o tempo. Para tanto
selecione a coluna, vá em “Plot”, depois “Scatter”. O gráfico deve apresentar uma “quebra” de comportamento, correspondente à colisão.
29) Ajuste retas para os pontos antes e após a colisão. Para tanto, clique no ícone no menu superior. Bolinhas amarelas e pontilhados surgirão no primeiro e último pontos do gráfico. Uma delas estará com a borda e linha pontilhada vermelha, indicando ser a móvel. As teclas flecha “ ” e “ ” mudam o elemento móvel para uma ou outra. Movimente a segunda bolinha amarela para o último ponto antes da colisão. Faça o ajuste da reta (menu principal em “Analysis”, depois “Quick Fit”, depois “Fit Linear”). Na nova janela “Results Log”, estão os valores dos coeficientes de ajuste e seus erros. Anote apenas a medida do coeficiente angular da reta na Folha de Dados.
30) Repita o passo 29 para os pontos pós-colisão.
31) Repita os passos 27 a 30 para o carro “B”da primeira colisão.
32) Crie uma nova coluna na planilha do carro “B”. Na planilha dos dados, clique com o botão da direita do mouse e depois em “Add Column”. Na nova coluna criada, clique no cabeçalho e depois, na janela do lado direito, em “Description”. No campo “Name” escreva “xA”. Copie a coluna “x” da
planilha do carro “A” na nova coluna da planilha do carro “B”.
33) Vamos calcular a posição do centro de massa para cada instante de tempo. Para tanto, crie uma outra coluna e mude o nome para “Xcm”. No campo fórmula, escreva “(mA*col(xA)+mB*col(x))/(mA+mB)”. Depois, clique no botão “Apply” para que os valores sejam calculados.
34) Repita os passos 29 e 30 para a coluna “Xcm”, anotando na Folha de Dados as medidas dos coeficientes angulares das retas ajustadas.
35) Calcule as medidas do momento total e da energia cinética total, antes e depois da primeira colisão, anotando-os na Folha de Dados.
36) (Relatório) Repita os passos 27 a 35 para os dados das outras três colisões.
37) (Relatório) Disserte na Folha de Dados sobre cada colisão, observando as quantidades calculadas nos passos 34 e 35, antes e após a colisão. Verifique quais as que se conservam e como isto está associado ao tipo de colisão envolvida.
REDUÇÃO E ANÁLISE DOS DADOS:
14) Descarregue os filmes no computador da bancada, com o auxílio do cabo USB.
15) Acione o programa Tracker e abra o filme da primeira colisão para tratamento.
16) Clique na seta verde para ver o filme e determine o primeiro quadro
(t = 0 seg.) quando o carrinho impulsionado está com a metade dentro do campo de filmagem (Set start frame to slider). Use o quadro-a-quadro para melhor definição.
17) Determine como último quadro (Set end frame to slider) o que mostra o carrinho que estava parado com apenas a metade dentro do campo de filmagem.
18) Adicione os eixos ordenados (xe y), deixando a origem onde o programa colocou. O eixo xdeve estar paralelo ao trilho.
