Recursos para a Educação em Ciências
    Banca da Ciência | Experimentoteca | Mão na Massa
 

Peso, Tração e Força de Atrito

Referência

Alunos da disciplina Produção de Material Didático (FEP 458)
Licenciatura em Física - IFUSP -- Turma: Noturno/2005

Introdução

Alguns dos mais corriqueiros fatos em nossa volta podem, de maneira simples, ser esclarecidos pelas três leis de Newton. Entretanto é difícil encontrar estudantes que possam facilmente descrever estas aplicações em sua vida cotidiana.
O objetivo do experimento é o de criar no aluno a percepção sobre as Forças Peso, Tração e Força de Atrito, como elas se relacionam e seus efeitos e especialmente como a força de atrito participa desta interação.
Conceitos envolvidos Força é uma interação entre dois corpos e que pode causar diversos efeitos em um corpo, como por exemplo: imprimir ou cessar um movimento, sustentar, deformar, romper um corpo, etc.
Força Peso (P) é uma força que aparece devido ao campo gravitacional gerado pela massa da Terra, que atrai todos os corpos em direção ao seu centro (força radial). Seu módulo é determinado por

P = mg.

Tração (T) é uma força de reação presente em fios e cabos quando submetidos a forças de alongamento ou de resistência. Sua direção é a mesma do fio e o sentido é oposto à força atuante. Seu módulo depende da análise das forças envolvidas no ponto.
Força de atrito (Fat) é uma força de contato (aparece entre duas superfícies) que atua sempre de modo a oferecer resistência ao movimento. Sua direção é a mesma do movimento e o sentido contrário dele. A força de atrito existe de duas formas:
Atrito Estático Força que a superfície em contato imprime no corpo em repouso dificultando o início de um movimento. Seu módulo varia de acordo com a força aplicada e o peso do corpo. O valor máximo (na iminência do movimento) pode ser calculado por:
Fate = μ eN (onde μe é o coeficiente de atrito estático e N é a Força Normal)

Atrito Cinético - Força que a superfície em contato imprime no corpo em movimento dificultando sua realização. Seu módulo é constante e pode ser calculado por:
Bolinhas de gude de vários tamanhos
1 clipe e várias arruelas (idênticas) ou vários clipes (idênticos)
1 linha de costura
1 fita crepe
1 caneta
1 cronômetro (opcional)


Figura 1

Montagem

O experimento deverá ser realizado em uma mesa de superfície reta e lisa.
Prenda a caneta com fita crepe na quina da mesa (veja figura 2) para que ela funcione como uma roldana, diminuindo o atrito entre o fio e a superfície.


Figura 2

Prenda uma bolinha de gude na extremidade de uma linha de costura utilizando fita crepe. Um clipe deve ser adaptado (aberto) para funcionar como um gancho, no qual um lado deve ser preso no fio com a bolinha de gude (se necessário) e no outro serão colocados as arruelas.


Figura 3

Em seguida prenda a linha na parte de trás do carrinho, prestando atenção para que o fio não enrosque nos eixos das rodinhas e atrapalhe o movimento.


Figura 4

Atenção: corte a linha num tamanho suficiente para que o carrinho corra na mesa e a bolinha de gude chegue ao chão um pouco antes do carrinho atingir a caneta.
Veja na figura 5 a montagem completa do experimento:


Figura 5

Procedimento

Coloque o carrinho em uma ponta da mesa esticando a linha e deixando a bolinha de gude suspensa (conforme figura 5). Marque a posição inicial do carrinho, para que se possa repetir a experiência iniciando sempre do mesmo ponto (figura 6).


Figura 6

Soltar o carrinho e observar se existe movimento.
Situação 1: o carrinho se movimenta:
Deve-se tentar classificá-lo visualmente como um movimento acelerado ou constante. Essa conclusão vai depender da relação entre a força de atrito no carrinho e o peso da bolinha. Caso sejam iguais o carrinho se movimentará de maneira uniforme. Caso a força peso seja maior que a força de atrito, o carrinho será acelerado. Caso a força de atrito seja maior que o peso, o carrinho não se movimentará e aí cairemos na situação 2, onde discutiremos a questão do atrito estático.
Opcional: caso se queira comprovar experimentalmente a condição de movimento acelerado ou constante, faça marcas na trajetória a ser percorrida pelo carrinho e em seguida repita várias vezes a experiência medindo os tempos e os espaços percorridos.


Figura 7

Situação 2: o carrinho não se movimenta:
Adicionar o clipe adaptado como gancho e iniciar a adição de arruelas (ou clipes) uma de cada vez.


Figura 8

A cada adição observar se o carrinho tem alguma reação. A adição de arruelas deve ser interrompida quando o carrinho iniciar um movimento contínuo. Analisar o conceito de atrito estático e observar o que acontece depois que o carrinho entra em movimento. É freqüente a ocorrência de um movimento bastante acelerado depois que vencemos o atrito estático (nesta experiência há atrito em vários lugares: nas 4 rodas, na caneta) indicando que o atrito estático é bem maior que o atrito dinâmico. Mas é possível encontrar o limiar de movimento (para que se descubra qual o mínimo peso necessário para iniciá-lo) adicionando uma arruela de cada vez e dando um leve toque no carrinho (ou uma pequena batida na mesa) para vencer o atrito estático. Desta forma, se o peso for suficiente para contrapor-se eRoteiro=Qual o valor da Tensão no fio? Como ela pode ser determinada?
Qual a relação entre o fio, o carrinho e a tensão?
O que é iminência de movimento? É possível chegar nesta situação?
Quando age o atrito cinético e o estático? Você entende a diferença?

Conclusões

Através deste experimento o aluno deve conseguir uma boa abstração dos conceitos enfocados. Os exemplos práticos constróem diversas situações para vivenciar o relacionamento entre as Forças Peso, Tração e Força de Atrito. A interpretação do atrito estático e cinético no movimento pode ser facilmente entendida através da utilização das arruelas, onde o estudante pode perceber nitidamente a iminência do movimento do carrinho instantes antes dele entrar em movimento.
Outras experiências podem ser realizadas, como por exemplo, equilibrar dois carrinhos com um fio e adicionar peso, lentamente, e observar como isso afeta ou não o estado de equilíbrio.
A seguir algumas fotos ilustram esta proposta para o estudo do equilíbrio.


Figura 9

Figura 9 – Experiência extra: material utilizado.


Figura 10

Figura 10 – Experiência extra: montagem.


Figura 11

Figura 11 – Experiência extra: adicionando peso.


Figura 12

Figura 12 – Experiência extra: sistema em movimento


Figura 13

Figura 13 – Experiência extra: medida do espaço percorrido por um ponto de referência

Dados adicionais

Elaborado:  

José Luís Módolo, Maura Shibuta Marques, Renata Shibuta Marques, Djalma Franco, Robson Confessor

 
 

O CiênciaMão é um projeto de extensão universitária da Escola de Artes, Ciências e Humanidades da Universidade de São Paulo, com apoio da Universidade Federal de São Paulo e das entidades abaixo listadas. É coordenado pelo grupo de pesquisa Interfaces. Constitui-se em um repositório de recursos para a educação em ciências, voltado para educadores em geral. Os itens listados são cadastrados manualmente em um banco de dados, de acordo com diretrizes editoriais da coordenação do projeto.

 

EFLCH
Escola de Filosofia, Letras e Ciências Humanas

 

EACH
Escola de Artes, Ciências e Humanidades

Financiamento e apoio:


UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
Copyright © 2006-2013 Universidade de São Paulo - Todos os direitos reservados