Queda
Os experimentos de queda livre desempenham um papel fundamental na exploração dos princípios essenciais da física, especialmente no campo da mecânica clássica. Essas experiências permitem observar fenômenos como a trajetória de um objeto em queda, a aceleração devido à gravidade e a influência da resistência do ar. É nesse contexto que a levitação acústica assume um papel crucial.
A levitação acústica oferece uma abordagem inovadora e empolgante para estudar a queda livre. Essa técnica permite suspender objetos no ar usando ondas sonoras controladas com precisão. Permitindo controlar as condições para a queda através dos controles do Arduíno.
Motivação teórica
Neste experimento, exploraremos o efeito da resistência do ar no movimento de objetos em queda livre. A resistência do ar é uma força que atua na direção oposta ao movimento de um objeto em queda, afetando sua trajetória e velocidade.
Montagem experimento
A ideia por trás da montagem deste experimento é criar um sistema que controle o início do movimento de queda. Para isso, utilizaremos dois emissores posicionados lado a lado, como ilustrado no esquema da imagem a seguir. A bolinha de isopor será fixada no nó de uma onda estacionária, e por meio de um controlador Arduíno, teremos o controle preciso do momento em que a bolinha será solta de uma determinada altura. Dessa forma, poderemos observar e analisar os efeitos da resistência do ar na queda da bolinha de isopor.
Ao controlar o início do movimento de queda, poderemos realizar medições precisas e obter dados relevantes para o estudo da resistência do ar. O uso dos emissores e da onda estacionária permite prender a bolinha de isopor em uma posição específica, proporcionando um ponto de partida consistente para o experimento. O controlador Arduíno, por sua vez, nos permite soltar a bolinha no momento desejado, garantindo uma condição controlada para a análise dos efeitos da resistência do ar.
Através do rastreamento da bolinha por meio de um sistema adequado, podemos obter informações valiosas sobre a sua velocidade e posição durante o movimento de queda. Esses dados permitem que determinemos com precisão os pontos que descrevem a trajetória da bolinha ao longo do tempo. Além disso, podemos identificar momentos em que ocorrem mudanças significativas na velocidade, como quando a resistência do ar começa a ter um efeito mais pronunciado.
Materiais necessários
Um Arduino, uma ponte H, uma alimentação externa com uma tensão de aproximadamente 15V, uma ponte H e os dois emissores ultrassônicos. Assim, o levitador pode ser montado como mostra o esquema da Figura 1. Seguir a descrição para montagem do levitador descrita na seção Montagem .
Para equilibrar a bolinha no ponto de equilíbrio da onda estacionária formada, é imprescindível utilizar um suporte que mantenha os emissores posicionados lado a lado. Essa configuração é ilustrada na imagem 2. O suporte desempenha um papel fundamental ao garantir que os emissores permaneçam alinhados de forma precisa. Dessa maneira, é possível criar a onda estacionária desejada e alcançar o equilíbrio da bolinha. A imagem 2 serve como um exemplo visual dessa disposição dos emissores.
Na imagem, foram utilizados dois suportes metálicos posicionados estrategicamente para manter a bolinha equilibrada no centro. Para fixar o emissor, foi utilizado um conector magnético do tipo Ch2 Conector Rápido que foi parafusado com uma peça retangular de madeira, garantindo uma fixação estável em uma altura específica no suporte. Vale ressaltar que essa altura deve ser ajustada para que os efeitos da resistência do ar sejam considerados relevantes. Assim, é necessário fixar o emissor a uma distância elevada o suficiente em relação a uma base para que a influência da resistência do ar seja significativa no movimento da bolinha.
A fim de facilitar o rastreamento da esfera pelo software de rastreio, é recomendado o uso de um contraste visível entre a bolinha e o fundo. Na imagem mencionada anteriormente, foi utilizado um contraste preto, que pode ser obtido utilizando EVA (acetato de vinila) ou qualquer material de cor uniforme. Garantir um contraste adequado é importante para permitir que o software de rastreamento identifique e acompanhe a esfera de maneira eficiente. Utilizar um material de cor uniforme, como o EVA preto, cria um destaque visual claro e facilita o processo de rastreamento.
Além disso, é importante ressaltar que a montagem apresentada é apenas uma sugestão inicial. Existem diversas possibilidades de montagens que podem ser exploradas para a realização do experimento. Por exemplo, é viável conduzir o experimento utilizando a mesma configuração empregada no experimento de oscilações amortecidas.
Para realizar essa montagem alternativa, você precisaria dispor de dois emissores posicionados frente a frente, na vertical, e colocar a bolinha de maneira equilibrada o mais próxima possível de um dos emissores, com uma distância aproximada de 7 cm da grade do outro emissor, conforme ilustrado na seguinte imagem.
Após feita a montagem e com um celular com as condições necessárias especificada na secção de Filmagens pode ser feito o experimento, com os comandos: () no serial do Arduíno. Os resultados de rastreio você pode comparar com os obtidos experimentalmente na secção de resultados.
Resultados
Quando realizado experimento, você vai obter um vídeo e com os rastreio seguindo as instruções da secção de Filmagens, você vai obter resultados de gráfico da posição em função do tempo semelhante ao gráfico a seguir:
