Forças nos movimentos retilíneos acelerado e uniforme

Objetivo

Identificar forças que atuam sobre um corpo que se move em linha reta, num plano horizontal, e investigar o seu movimento quando sujeito a uma resultante de forças não nula e nula.

Explicação teórica

Quando um corpo em movimento retilíneo numa superfície horizontal é sujeito a uma resultante de forças não nula constante, este adquire um movimento retilíneo uniformemente variado.

Se a força resultante tiver o sentido do movimento, a velocidade do corpo aumenta na direção e no sentido do movimento, e este move-se com movimento retilíneo uniformemente acelerado.

Se a força resultante tiver sentido oposto ao do movimento, a velocidade do corpo diminui, e este move-se com movimento retilíneo uniformemente retardado.

A aceleração adquirida pelo corpo é diretamente proporcional à força resultante a atuar no corpo, como descrito pela $2ª.$ Lei de Newton:

$F_r=m\times a$ $F=m\times a$

Se a resultante das forças que atuam no carrinho for nula, a velocidade deverá manter-se constante, em relação a um referencial, e o corpo deslocar-se-á com movimento retilíneo uniforme.

Material necessário

Mesa polida (ou calha)
Cronómetro digital $+$ $2$ células fotoelétricas
Carrinho
Fio
Roldana fixa
Corpo de metal
Suporte universal $+$ garras

procedimento

1.	Colocar o carrinho sobre a calha, ligado por um fio, que passa na gola de uma roldana, a um corpo suspenso, C, que cai na vertical. O carrinho deve ser colocado numa mesa polida e na horizontal. O fio que liga o carrinho ao corpo C deve ter um comprimento tal que o corpo C entre em contacto com o solo aproximadamente a metade do comprimento da trajetória retilínea percorrida pelo carrinho. O carrinho deve mover-se em linha reta.
2.	Colocar em diferentes posições do percurso uma célula fotoelétrica ligada ao cronómetro digital.
3.	Registar o tempo que um pino acoplado ao carrinho demora a atravessar a célula.
4.	Registar o tempo que o carrinho demora a percorrer a distância considerada. Para determinar o intervalo de tempo que o carrinho demora a percorrer a distância entre a posição inicial e cada uma das posições marcadas na mesa/calha, $\varDelta t_{movimento}$ , devem ligar-se as duas células ao cronómetro digital. Uma das células é colocada na posição inicial e a outra célula é colocada na posição final.
5.	Determinar o módulo da componente escalar da velocidade do carrinho em diferentes posições ao longo do percurso. Medir a largura do pino, $D$ , e o tempo de passagem do pino pela célula, $\varDelta t_{passagem}$ . Calcular o módulo da componente escalar da velocidade em cada instante: $v=\dfrac{D}{\varDelta t}$ . *Nota:* como o intervalo de tempo de passagem do pino é muito pequeno, é uma boa aproximação considerar que a velocidade é praticamente constante, sendo possível utilizar-se a expressão do movimento retilíneo uniforme.
6.	Construir o gráfico da componente escalar da velocidade do carrinho em função do tempo (gráfico velocidade em função do tempo). Determinar o módulo da componente escalar da velocidade do carrinho em diferentes posições do percurso (a partir das medições da largura do pino, D, e do tempo de passagem do pino pela célula em cada uma das posições, $\varDelta t_{passagem}$ ). Determinar o intervalo de tempo, $\varDelta t_{movimento}$ , entre a posição inicial do carrinho e a posição onde se encontra a célula. *Nota:* como não há inversão de sentido no movimento do carrinho, a componente escalar da velocidade é sempre positiva.

Na figura seguinte está esquematizado o procedimento experimental.

Física e Química A; Atividades laboratoriais; 11º Ano; Forças nos movimentos retilíneos acelerado e uniforme

Tratamento de resultados

Os resultados experimentais obtidos deverão comprovar que, num primeiro intervalo de tempo, a velocidade do carrinho varia, logo, o corpo sofre uma aceleração, que é constante. Assim, de acordo com a $2ª.$ Lei de Newton, a resultante das forças não é nula, entre o instante inicial e o instante em que o corpo suspenso embate no solo, sendo, apesar disso, constante.

Se o atrito puder ser desprezado, as forças a atuar no carrinho são a força de reação normal, o peso e a tensão exercida pelo fio. Como as restantes se anulam, a força resultante é igual à força de tensão que atua no sentido do movimento do carrinho e é constante. O carrinho tem movimento retilíneo uniformemente acelerado:

$F_r=T$

Num segundo intervalo de tempo, a partir do instante em que o corpo suspenso atinge o solo, e se as forças de atrito forem minimizadas ao ponto de poderem ser desprezadas, não há variação de velocidade, e o movimento é retilíneo e uniforme. Analisando as forças que atuam no corpo, sabe-se que a força de tensão deixa de atuar no instante em que o corpo suspenso atinge o solo, pelo que as únicas forças a atuar no carrinho são a força de reação normal e o peso, que se anulam:

$F_r=0$

Conclui-se que a resultante das forças é nula. Experimentalmente, verifica-se que, a partir do instante em que o corpo suspenso atinge o solo, o carrinho continua em movimento, apesar da resultante das forças ser nula, e que a sua velocidade passa a ser constante. Este resultado experimental está de acordo com a $1ª.$ Lei de Newton.