Ronai Lisboa
Curso de Introdução à Física Clássica: Mecânica, Termodinâmica, Fluidos, Ondas e Oscilações e Eletromagnetismo para Bacharelado em Ciências e Tecnologias.
Analisar o balanço de energia no MHS.
Analisar o balanço de energia nos movimentos dos sistemas:
Bibliografia
Tipler
Capítulo: 14.
Seções: 14.2 e 14.3
Fonte: Giphy. Prof. Walter Lewin - MIT
- Pêndulo simples;
- Oscilador massa-mola na horizontal;
- Oscilador massa-mola na vertical;
- Outros sistemas oscilantes.
O Edifício Comcast na Filadélfia, Pensilvânia, que se ergue acima do horizonte, tem aproximadamente 305 metros de altura. Nessa altura, os andares superiores podem oscilar para frente e para trás devido à atividade sísmica e aos ventos flutuantes.
É mostrado acima um desenho esquemático de um amortecedor de massa de coluna líquida ajustado, instalado na parte superior da Comcast, consistindo em um reservatório de água de 300.000 galões para reduzir as oscilações.
Propriedades atômicas são utilizadas para medir o tempo com grande precisão.
Fonte: https://repositorio.unesp.br
A molécula de amônia NH3 tem uma estrutura piramidal, com três átomos de H na base e um átomo de N no vértice.
Existe uma posição simétrica, N', do átomo de nitrogênio que se encontra à mesma distância do plano H-H-H, mas no lado oposto.
O átomo de N oscila entre estas duas posições de equilíbrio na razão de 2,387013×1016 oscilações por segundo.
O primeiro relógio atômico foi baseado nesse princípio.
Em período de 17 000 000 de anos, pode se desviar de apenas 1 segundo.
Plataformas programáveis possuem osciladores de quartzo que definem a frequência de operação dos microcontroladores das placas e por sua vez da frequência do processamento dos dados dos programas.
Fonte: arduino.com
Nessas placas a frequência de operação está em 16 MHz.
Os pêndulos permitem controlar o tempo com uma corda e uma massa, apenas!
Fonte: https://www.youtube.com/embed/JWtsOiVxIIE em t = 2:32 min e pular para t = 5:00 min.
Pesquisadores de biomecânica usam o modelo de pêndulo para calcular o momento de inércia dos membros inferiores de animais. Essa informação é importante para analisar como um animal caminha.
Fonte: https://youtu.be/nOSTzpA0nGk
Manter o equilíbrio em robôs requer modelagem numérica.
Pêndulo invertido e automação.
Mas para chegar a esse nível, você precisa começar pelos fundamentos.
Ao caminhar avançamos de um comprimento 2L, onde L é o comprimento das nossas pernas.
O período do pêndulo simples é:
A rapidez ao andar é
Para L=1m, a rapidez da caminhada é:
Melhoramos o modelo trocando um fio e uma massa por uma barra com massa.
O período físico é:
A rapidez ao andar é
Para L=1m, a rapidez da caminhada é:
Em um modelo ainda mais elaborado as pernas oscilam como pêndulos físicos invertidos.
Fonte: Balbinot
Movimentos como esses são utilizados em algoritmos simplificados para controle, estimação e aprendizado de uma máquina.
As equações estão longe do nível desse curso. Em equações diferenciais e modelagem integrada começarão a aperfeiçoar o modelo.
A força elástica é um força conservativa (depende da posição e é central):
O trabalho realizado pela força elástica:
A variação da energia cinética:
A variação da energia potencial elástica para uma força conservativa:
funções quadráticas
Note que x e v são funções do tempo!
Somando as variações da energia cinética e potencial elástica, obtemos a variação da energia mecânica do sistema:
onde definimos E=K+U como a energia mecânica do sistema. Então:
Note que as grandezas v e x são funções do tempo! Mas a energia mecânica não é!
Fonte: Eric Mazur. Veja código aqui.
import numpy as np import math import matplotlib.pyplot as plt ke=2.0 mp=2.0 En=10.0 def ve(x): return (2.0*(En-0.5*ke*x**2)/mp)**0.5 def Up(x): return 0.5*ke*x**2 def Kc(x): return 0.5*mp*ve(x)**2 xp = np.linspace(-3,3) v = ve(xp) U = Up(xp) K = Kc(xp) plt.plot(xp, U, label='Energia potencial') plt.plot(xp, K, label='Energia cinetica' ) plt.xlim([-5,5]) plt.ylim([-1,12]) plt.legend(loc=2) plt.title('Conservação da Energia no Pêndulo Simples') plt.xlabel('Posição [m]') plt.ylabel('Energia [J]') plt.grid()
Verifique: COLAB Notebooks
As funções de movimento e velocidade são funções oscilatórias no tempo:
As funções energia potencial elástica e cinética são funções oscilatórias no tempo:
A energia mecânica é constante no tempo.
ou
Fonte: Geogebra
A mola oscila na vertical. Vídeo.
Cada imagem registra uma posição e um um instante de tempo. Deslocando as imagens vemos que o movimento é periódico no tempo. A cinemática conta a história do movimento
Para estudar o movimento oscilatório nós podemos empregar a dinâmica.
Fonte: PHET
Determine a constante elástica das molas.
Utilize o conceito de período.
Determine os valores das massas desconhecidas.
Verifique que para uma mesma massa, o período independe da amplitude.
Verifique o que ocorre com o período quando a massa varia. e depois quando a mola é trocada.
Planilha: LINK.
Fonte: PHET
A força peso tem sempre a orientação vertical para baixo e mesma magnitude.
A força elástica varia em magnitude e sentido.
A aceleração indica o sentido da força resultante.
É necessário desenhar para saber onde a massa vai ser encontrada?
A velocidade indica o sentido do movimento.
A força resultante varia em magnitude e sentido.
Fonte: PHET
Somente no equilíbrio P=Fe.
A posição de equilíbrio é y0. A massa vai oscilar em relação a esse ponto.
O efeito da força peso é meramente o de deslocar a posição de equilíbrio para y0.
E fora do equilíbrio qual é a força resultante sobre a massa?
Sem a massa, a mola ideal na vertical não fica sujeita a forças.
Com a massa e na posição de equilíbrio a deformação da mola é y0 e o somatório das forças sobre a massa é nula.
Fonte: PHET
De forma geral a deformação da mola será y′ em torno de y0:
Cuja solução é a função do MHS:
Fora do equilíbrio a força resultante sobre a massa não é nula:
Quando vale a amplitude?
O pêndulo simples é um dispositivo mecânico que consiste de um fio inextensível e massa desprezível onde uma extremidade é fixa e na outra existe uma massa que pode oscilar segundo um MHS.
FONTE: PHET
Para um dado planeta, um pêndulo comprido possui um período maior que um pêndulo curto.
Quando g aumenta o período diminui e a frequência aumenta, pois ω0T=2π (constante).
O período não depende da massa do pêndulo simples.
Sobre a massa há apenas duas forças:
Tração T de direção e magnitudes que variam.
Peso P de direção e magnitudes que não variam.
A força resultante não é constante.
No referencial adotado as forças peso e tração têm as seguintes componentes:
No ponto mais baixo da trajetória qual o valor de Ptan?
No ponto mais baixo qual a força resultante?
A força restauradora é Ptan.
A força que muda a direção é T−Prad.
Fonte: Halliday
A força restauradora sobre o pêndulo simples é a força tangencial (Ptan). Essa força varia com o ângulo θ. Há um MHS se esse ângulo é pequeno!
FONTE: Sears & Zemansky
O movimento é acelerado e ao longo da força tangencial, a partir da segunda lei de Newton:
Similar à Lei de Hooke!
Para pequenos ângulos, temos
E x=Lθ . Daí,
É a EDO que rege o movimento do pêndulo simples.
Tal como o sistema massa-mola, o pêndulo simples é regido por uma EDO, tal que:
FONTE: Wolfgang & Bauer
e a solução é uma função periódica no tempo:
onde a frequência angular é:
A frequência e o período:
ou
Aproximações válidas para ângulos pequenos.
Para ângulos maiores veja Exemplo 14.9 do Tipler.
As funções de movimento do pêndulos simples são:
constante de fase
amplitude
frequência angular
Função posição angular
Função velocidade angular
Função aceleração angular
Função velocidade
Função aceleração
A energia mecânica do pêndulo simples para qualquer ângulo θ:
Nos pontos de retorno (v=0):
Fonte: Wolfgang & Bauer
A energia mecânica é conservada:
A velocidade do pêndulo:
Fonte: https://pin.it/2SEybXW
Qual o tempo para ir de v=0 a v=vmax?
Por que o vetor aceleração muda de direção?
Text
ângulo qualquer
ângulo inicial
Seja no sistema massa-mola ou nos diversos pêndulos, a força restauradora é responsável pelo MHS. Ela é do tipo: F=−cx. A constante c depende do sistema.
A energia total do sistema (mecânica) é conservada no tempo.
Mas as energias cinética e potencial variam no tempo!
As forças são restauradoras.
Com e sem transferência de energia.
Fonte: https://youtu.be/duyzRDq9CG4
Vídeo 2: LINK.
Vídeo 3: LINK.
Vídeo 4: LINK.
Não transferência de energia quando se observam cada um dos dois modos normais em fase e oposição de fase.
Há transferência de energia quando 1 oscilador está parado e o outro é colocado em movimento.
A solução desse sistema não é muito diferente daquele de um único oscilador.
Aplicações:
Modelagem de terremotos.
Vibração atômica-molecular.
Elasticidade e frequência em uma barra rígida
A extensão Δl sob uma dada força é proporcional ao comprimento original l0.
Um mesmo strain é causado pela aplicação de forças proporcionais à área de secção reta.
Para strain muito pequeno (0,1%), a razão stress/strain está em acordo com a lei de Hooke:
Flutuabilidade e frequência em um medidor de densidade (densímetro)
A força resultante sobre o densímetro ao ser empurrado para baixo:
Sobre o densímetro existem duas forças:
A força peso que a Terra exerce sobre o densímetro, de massa m:
A força de empuxo que o fluido exerce sobre o densímetro, de massa m:
Notando, que o empuxo é igual ao peso da massa do fluido deslocado.
E que o empuxo somente é igual ao peso do corpo no equilíbrio.
peso do corpo
peso do fluido deslocado
Flutuabilidade e frequência em um navio
É a distância medida na vertical, da face inferior da quilha, à linha de água; espaço ocupado pelo navio dentro de água; o mesmo que fundo.
O calado corresponde à altura de água necessária para o navio flutuar livremente ou, por outras palavras, a altura do espaço ocupado pelo navio dentro de água.
De uma maneira geral, o calado é maior à popa que à proa.
A palavra calado deriva de calar (arriar, baixar, descer).
Os termos ingleses para calado são draught e draft.
Nesse caso, é comum expressar a massa do navio em termos do calado, h:
O período de oscilação do navio:
Para h=10m, o período é da ordem de T= 6 s.
Você dispõe de um pêndulo que oscila com período T na Terra. Você o leva para a Lua. Qual será o período do pêndulo na Lua em função do seu período na Terra?
Fonte: https://youtu.be/duyzRDq9CG4
Um corpo de 3,0 kg, preso a uma mola, oscila com uma amplitude de 4,0 cm e um período de 2,0 s. (a) Qual é a energia total? (b) Qual é a rapidez máxima do corpo? (c) Em qual posição a rapidez do corpo é a metade de seu valor máximo?
Uma trapezista de circo inicia seu movimento partindo do repouso com a corda formando um ângulo de 45 graus com a vertical. A corda em 5,00 m de comprimento. Qual será a velocidade da trapezista no ponto mais baixo da trajetória?
Um bloco de 500 g, preso a uma mola, é puxado por uma distância de 20 cm e liberado. As oscilações subseqüentes são medidas, e delas se obtém um período de 0,80 s. Em que posição ou posições a velocidade do bloco vale 1,0 m/s?
Um objeto de 5,00 kg que repousa em uma superfície horizontal sem atrito está preso a uma mola com k = 1000 N/m. O objeto é deslocado horizontalmente 50,0 cm a partir da posição de equilíbrio e recebe uma velocidade inicial de 10,0 m/s na direção da posição de equilíbrio. Determine (a) a frequência do movimento, (b) a energia potencial inicial do sistema massa-mola, (c) a energia cinética inicial e (d) a amplitude do movimento.
Que animação mostra corretamente a posição como função do tempo?
Caso não tenha ficado claro a explicação tente estudar o simulador aqui embaixo.
Na figura, duas molas iguais, de constante elástica 7580 N/m, estão ligadas a um bloco de massa 0,245 kg. Qual é a frequên- cia de oscilação no piso sem atrito?
Fonte: Halliday
Na figura duas molas são ligadas entre si e a um bloco de massa 0,245 kg que oscila em um piso sem atrito. As duas molas possuem uma constante elástica k = 6430 N/m. Qual é a frequência das oscilações?
Fonte: Halliday
A figura mostra o poço de energia potencial unidimensional no qual se encontra uma partícula de 2,0 kg [a função U(x) é da forma bx^2 e a escala do eixo vertical é definida por Us = 2,0 J]. (a) Se a partícula passa pela posição de equilíbrio com uma velocidade de 85 cm/s, a partícula retorna antes de chegar ao ponto x = 15 cm? (b) Caso a resposta seja afirmativa, calcule a posição do ponto de retorno; caso a resposta seja negativa, calcule a velocidade da partícula no ponto x = 15 cm.
Fonte: Halliday
A figura mostra a energia cinética K de um oscilador harmônico simples em função da posição x. A escala vertical é definida por Ks = 4,0 J. Qual é a constante elástica?
Fonte: Halliday
By Ronai Lisboa
Oscilações. Movimento Harmônico Simples (MHS). Pêndulo Simples. Oscilador massa-mola. Sistemas oscilantes. A conservação da energia no MHS.
Curso de Introdução à Física Clássica: Mecânica, Termodinâmica, Fluidos, Ondas e Oscilações e Eletromagnetismo para Bacharelado em Ciências e Tecnologias.