Laboratório virtual de impulso: gráficos força–tempo
Atualizado em 2026-10-07
Este laboratório virtual de impulso transforma em prática o conteúdo de quantidade de movimento e segurança veicular do GCSE, do A-level e do AP Physics. Um carrinho com para-choque corre num trilho de ar até uma parede com sensor de força, e fotoportas medem o tempo na ida e na volta. Os alunos mantêm a massa e a velocidade fixas, trocam entre mola macia, mola dura, zona de deformação e airbag, e leem a força máxima, o tempo de contato e o impulso de cada lançamento. A área sob o gráfico força–tempo coincide sempre com a variação da quantidade de movimento medida pelas fotoportas. A aula termina com um desafio de projeto: proteger um ovo num carrinho em movimento.
Alinhamento com o currículo
- AQA GCSE Physics 4.5.7.3 (variações da quantidade de movimento): F = mΔv/Δt e itens de segurança como airbags, cintos de segurança e zonas de deformação. As fotoportas funcionam como nas práticas de GCSE com carrinhos.
- AQA A-level Physics 3.4.1.6 (quantidade de movimento): o impulso como área sob um gráfico força–tempo.
- AP Physics 1 Unit 4 (quantidade de movimento linear), tópico 4.2 sobre variação da quantidade de movimento e impulso.
- NGSS HS-PS2-3 (padrão dos EUA): projetar um dispositivo que minimize a força sobre um objeto durante uma colisão.
O Simulic não é afiliado nem endossado pela AQA, College Board ou qualquer banca examinadora.
Antes do laboratório (5 min)
Peça aos alunos que se comprometam com uma previsão, no papel ou como pergunta 1 do link da turma:
"Um carrinho de 1 kg a 3 m/s bate numa parede, primeiro com um para-choque de mola macia e depois com uma mola dura. Nas duas vezes ele volta a 3 m/s. Como se compara a força máxima sobre a parede?"
Muitos alunos dizem que a força é a mesma, porque a variação da quantidade de movimento é a mesma. Não corrija ainda.
Método na simulação
- Clique em Sensor de força e colisão. Deixe Colide com em "Parede com sensor de força", Massa m₁ em 1,0 kg, Velocidade u₁ em 3,0 m/s e Espessura (do para-choque) em 20 cm.
- Escolha Para-choque: Mola macia e clique em Lançar. Durante o contato a rodada aparece em câmera lenta e depois uma linha é acrescentada à tabela.
- Repita com Mola dura, Zona de deformação e Airbag. Mantenha m₁ e u₁ iguais em todas as vezes.
- Em cada rodada, anote u e v da fotoporta, Δp, o impulso J (a área sombreada), o tempo de contato Δt e a força máxima Fmáx.
- Compare o gráfico vermelho (força sobre a parede) com o azul (força sobre o carrinho).
| Para-choque | u (m/s) | v (m/s) | Δp (kg·m/s) | J (N·s) | Δt (ms) | Fmáx (N) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Mola macia | ||||||
| Mola dura | ||||||
| Zona de deformação | ||||||
| Airbag |
Resultados esperados
Todos os valores vêm da simulação, que não tem erro aleatório, então todos os grupos obtêm os mesmos números.
| Para-choque | v (m/s) | Δp = J (kg·m/s) | Δt (ms) | Fmáx (N) | F̄ = J/Δt (N) |
|---|---|---|---|---|---|
| Mola macia | −3,00 | −6,000 | 157,1 | 60,0 | 38,2 |
| Mola dura | −3,00 | −6,000 | 44,4 | 212,1 | 135,0 |
| Zona de deformação | −0,24 | −3,245 | 56,6 | 60,0 | 57,4 |
| Airbag | −0,82 | −3,820 | 232,5 | 62,4 | 16,4 |
- O impulso medido pelo sensor é sempre igual ao Δp medido pela fotoporta.
- As duas molas dão o mesmo Δp, mas o contato da mola macia dura 3,5 vezes mais e sua força máxima é 3,5 vezes menor.
- A zona de deformação e o airbag quase não ricocheteiam, então o Δp é cerca de metade. Eles também absorvem cerca de 4,2 a 4,5 J de energia cinética.
- As curvas vermelha e azul são imagens espelhadas: a parede empurra o carrinho com a mesma força com que o carrinho empurra a parede.
Perguntas para os alunos
- (Previsão, repetida depois do laboratório) Como se compara a força máxima com a mola macia e com a mola dura?
- Que grandezas precisam ficar iguais enquanto você compara os para-choques?
- Com a mola dura, m₁ = 1,0 kg e u₁ = 3,0 m/s, qual é a força máxima?
- Quantas vezes o tempo de contato da mola macia é maior que o da mola dura?
- Use a quantidade de movimento para explicar por que um airbag reduz a força sobre o motorista numa colisão.
Respostas para o professor: (1) A mola macia dá uma força máxima menor (60 N contra 212 N), porque o contato dura mais. (2) A massa m₁ e a velocidade u₁, para que a variação da quantidade de movimento seja comparável. (3) 212 N (aceite ±2). (4) 157,1 ÷ 44,4 ≈ 3,54. (5) A variação da quantidade de movimento do motorista é fixada pela sua massa e velocidade. Força = variação da quantidade de movimento ÷ tempo, então um airbag que faz a parada durar mais dá uma força menor.
Erros conceituais comuns
- "A mesma variação da quantidade de movimento significa a mesma força." O impulso é o mesmo, mas força = Δp/Δt. Espalhe a variação por mais tempo e a força cai.
- "Um para-choque mais macio é sempre mais seguro." Coloque Velocidade u₁ em 4,5 m/s com a mola macia: ela é esmagada por completo e a força dispara para cerca de 1210 N. Um item de segurança precisa ser macio e espesso o bastante.
- "O objeto mais pesado empurra com mais força." Escolha Carrinho 2 em repouso: as forças sobre os dois carrinhos são iguais e opostas, quaisquer que sejam as massas.
Extensão
- Desafio de projeto (NGSS HS-PS2-3): coloque Tarefa em Desafio de projeto. Um carrinho de 2 kg levando um ovo bate na parede a 3 m/s; mantenha Fmáx em no máximo 100 N com um para-choque de no máximo 15 cm de espessura. Na simulação nenhuma mola passa: as que são macias o bastante chegam ao fim do curso. Um airbag de 15 cm passa com 88 N; uma zona de deformação com força de esmagamento de 90 N passa com exatamente 90 N.
- Escolha Colide com "Carrinho 2 em repouso" e verifique que J₁ = −J₂ para os dois carrinhos.
Perguntas frequentes
O link da turma pode abrir direto na tela do sensor de força?
Sim. Na página Compartilhar, fixe Tela em "Sensor de força e colisão" nos valores iniciais do link. Você também pode fixar Para-choque e Colide com. Caso contrário, o primeiro passo do método pede aos alunos que cliquem no botão.
Por que J é negativo?
O carrinho se move em direção à parede no sentido positivo, e a parede o empurra de volta. Por isso o impulso sobre o carrinho e a sua variação da quantidade de movimento são negativos.
Onde fica a parte de conservação da quantidade de movimento?
Clique em Voltar ao trilho de ar para ver dois carrinhos colidindo de forma elástica ou inelástica. O plano de aula de forças e movimento trata a parte das forças com mais profundidade.
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