Estimando a Gravidade
Aprendemos a fazer um processo chamado regressão. Uma das aplicações desse processo é encontrar (ou estimar) valores para grandezas físicas à partir de observações. Nesta atividade, vamos estimar a aceleração da gravidade.
Teoria
Teoria é a maneira que acreditamos que algum fenômeno se comporta. Por exemplo: a Teoria da Gravidade é a ideia de que corpos tendem a se atrair seguindo algumas equações específicas. No contexto de um experimento, teoria se refere aos modelos matemáticos que regem os fenômenos que esperamos encontrar, e entendê-los implica em uma série de decisões práticas sobre os experimentos.
Existem muitas maneiras de estimar a aceleração da gravidade. Vamos estudar uma delas.
Movimento Uniformemente Variado
Nas nossas aulas de física do Ensino Médio, provavelmente já tivemos contato com a equação do Movimento Uniformemente Acelerado:
Podemos usar essa equação para calcular a posição de um objeto em queda livre (partindo do repouso e ignorando a resistência do ar) fazendo \(s_0=0\), \(v_0=0\) e \(a=g\), ficando com:
Regressão Linear com pseudo-inversa
Se temos algum fenômeno do tipo \(y=ax\), e podemos medir várias entradas \(x\) e saídas correspondentes \(y\), então temos:
ou:
Podemos então estimar \(a\) usando a pseudo-inversa:
Estimação do modelo de queda livre
O uso de regressão linear implica em um fenômeno \(y=ax\), mas a equação da queda livre modela um termo quadrático \(s=\frac{at^2}{2}\).
Porém, podemos usar uma variável auxiliar \(\tau = \frac{t^2}{2}\), de forma que:
Portanto, podemos estimar \(a\) através da formulação matricial:
Método
Veja como a teoria implica imediatamente em um método para encontrar a aceleração da gravidade:
- Para usar a equação matricial, precisamos de vários valores de \(s_i\) e \(t_i\) correpondentes. Portanto, precisamos medir o tempo de queda para diferentes alturas e anotar o resultado.
- Para usar a formulação linear, precisamos calcular \(\tau_i = t^2_i/2\) para cada valor de tempo medido
- Após, usamos a pseudo-inversa para encontrar o valor de \(a\).
Antes de prosseguir...
O método para encontrar \(a\) só é eficaz se você for capaz de responder por que cada uma das etapas é relevante. Discuta com sua equipe por que cada uma das etapas do método é importante!
Atividade
- Defina um procedimento para coletar os dados necessários de tempo de queda e altura.
- Consiga os materiais necessários.
- Execute o procedimento de coleta de dados!
- Use o procedimento de pseudo-inversa para encontrar a aceleração da gravidade na sua sala.