Movimento circular uniforme e força centrípeta
1 · Prever
Uma bola presa a uma haste orbita um pivô central fixo com velocidade constante. Se você aumentar a velocidade orbital da bola enquanto mantém o mesmo raio, o tempo de uma volta completa (o período) fica mais longo, mais curto ou permanece o mesmo?
- O período fica mais longo (leva mais tempo por volta).
- O período permanece o mesmo (a velocidade não afeta o período).
- O período fica mais curto (leva menos tempo por volta).
2 · Preparar
- Abra a predefinição Movimento Circular. Observe o comprimento da haste (o raio da órbita) e a massa da bola, e confirme se a gravidade está desligada – a haste sozinha fornece a força que curva o caminho.
- Confirme se a sonda de velocidade está conectada à bola e coloque um cronômetro na bola para que você possa cronometrar uma revolução completa.
- Para cada tentativa abaixo, defina a massa da bola, o comprimento da haste (raio) e sua velocidade tangencial inicial, depois pressione Reproduzir e cronometre uma volta completa.
3 · Coletar Dados
| Massa m (kg) | Raio r (m) | Velocidade orbital v (m/s) | Força centripeta F = mv²/r (N) | Período T (1 lap) (s) |
|---|---|---|---|---|
| 1.00 | 2.00 | 3.00 | ||
| 1.00 | 3.00 | 4.00 | ||
| 2.00 | 2.50 | 5.00 |
Plote o período T (eixo y) em função de r/v (eixo x) para os seus três testes. Descreva o formato da linha.
4 · Analisar
- Para uma tentativa, mostre seu trabalho calculando o período a partir do raio e da velocidade que você definiu (T = 2πr/v) e compare-o com a leitura do temporizador no sim.
- Nas suas três tentativas, como o aumento da velocidade em um raio fixo altera o período? Como o aumento do raio a uma velocidade fixa altera o período? Explique ambos usando T = 2πr/v.
5 · Aprofundar
- Esta predefinição desliga a gravidade para que o movimento seja genuinamente uniforme. Se a gravidade fosse reativada e a haste ainda traçasse um círculo horizontal, a velocidade da bola permaneceria constante durante toda a volta? Por que ou por que não?
- Um objeto real em órbita (como uma bola em uma corda balançada com a mão) perde um pouco de energia para a resistência do ar e para o pivô a cada volta. Você esperaria que seu período medido permanecesse perfeitamente constante ao longo de muitas voltas ou se desviasse – e em que direção?
A física por trás deste experimento
Força Centrípeta
A força interna que a haste deve fornecer para manter a bola se movendo em círculo em vez de em linha reta. Depende da massa da bola, da sua velocidade orbital (constante) e do raio do círculo - esta é a tensão que você sentiria na haste nas configurações de cada tentativa.