FEX1001 · Aula 2

Construção e análise de gráficos

Do papel milimetrado à linearização: como fazer um gráfico dizer o que a tabela esconde.

Prof. Rafael de Lima · Departamento de Física · CCT/UDESC

O caminho de hoje

Roteiro

  1. Por que gráficos
  2. O sistema de coordenadas cartesianas
  3. Construção em papel milimetrado — os sete passos
  4. Gráfico linear: coeficientes angular e linear
  5. Linearização
  1. Papel mono-log
  2. Papel di-log
  3. Um caso histórico
  4. Simulação: linearizar ao vivo
  5. Exercícios IV
A ideia que atravessa a aula

Uma reta é a única curva cujos parâmetros se leem direto do gráfico. Todo o resto da aula é sobre transformar o que você mediu em uma reta — e ler a física no coeficiente angular e no linear.

Parte 1

Por que gráficos

O que se enxerga num gráfico e não se enxerga numa tabela.

A tabela guarda; o gráfico mostra

Em vez de olhar para uma tabela de medidas, o cientista olha para o gráfico traçado a partir dela e percebe o comportamento das grandezas envolvidas.

Onde você já lê gráficos sem perceber

A evolução do salário mínimo, o número de acidentes de trânsito, a ocupação do disco rígido em “pizza”, o eletrocardiograma — a medicina moderna é cheia de aparelhos cujo resultado é um gráfico.

O uso de gráficos na Física é tão importante quanto o conceito de função na Matemática: é a representação visual de como uma grandeza varia em relação a outra.

Duas grandezas, uma dependente da outra

Nesta disciplina trabalhamos sempre com duas grandezas: uma independente e outra que depende dela.

Exemplo

O tempo flui independentemente de como a velocidade varia; a velocidade é que varia em função de como o tempo flui. Logo \(v = v(t)\), e nunca o contrário.

O aviso da apostila

“Todos os estudantes têm dificuldades no aprendizado da construção de gráficos, e principalmente no uso da técnica da linearização.” E a receita que funciona é uma só: construir muitos gráficos.

Parte 2

O sistema de coordenadas cartesianas

Quem vai em cada eixo, e por quê.

Abscissas e ordenadas

Seja uma grandeza dependente \(u\) que varia como função de uma independente \(z\), isto é, \(u = f(z)\).

A regra

Eixo x (abscissas): a variável independente.
Eixo y (ordenadas): a variável dependente.

A cada par ordenado \((x_i\,;\,y_i)\) corresponde um ponto \(P_i\); o conjunto deles é a curva da função. Os eixos admitem valores negativos, mas em geral se usa apenas o quadrante em que ambas são positivas.

Sistema de coordenadas cartesianas com os quatro quadrantes, eixo x horizontal das abscissas e eixo y vertical das ordenadas.
Figura III.1 — o plano cartesiano.

Parte 3

Construção em papel milimetrado

Sete passos, na ordem. O Exemplo 15 do começo ao fim.

Exemplo 15 — dilatação volumétrica de uma esfera

Mediu-se o volume \(V\) de uma esfera para várias temperaturas \(T\):

V (10⁻⁹ m³)64,180,797,8114,9138,0162,5195,0223,3260,0
T (°C)60,0065,0070,0075,0080,0085,0090,0095,00100,00
i123456789
O que a tabela já diz

À medida que a temperatura aumenta, o volume dilata. O gráfico será V versus T, porque o volume é que depende da temperatura.

Passo 1 — seleção do papel

Por enquanto: milimetrado

Em princípio, qualquer função de uma variável pode ser traçada em papel milimetrado. Não há restrições.

Mais adiante veremos que, para funções exponenciais e de potência, existem papéis que poupam trabalho — o mono-log e o di-log.

Passo 2 — definição dos eixos

Causa e efeito

A causa no eixo horizontal (x, independente). O efeito no eixo vertical (y, dependente).

Por que a ordem importa

Ao medir a distância \(d\) percorrida em um intervalo \(t\), a distância varia conforme o tempo. Dizer que “o tempo varia de acordo com a distância” é um absurdo. Logo: \(d\) versus \(t\), nunca \(t\) versus \(d\).

No Exemplo 15, portanto: V versus T.

Passo 3 — registro dos eixos

  • Na parte inferior direita do eixo horizontal: a variável independente, com a unidade entre parênteses.
  • Na parte superior esquerda do eixo vertical: a variável dependente, com a unidade entre parênteses.
  • Preferencialmente fora da região quadriculada.
A potência faz parte da unidade

No Exemplo 15 o volume está em \(10^{-9}\ \mathrm{m^3}\) — e é assim que deve aparecer no eixo, com a potência inclusa.

Detalhe do eixo vertical rotulado com V entre parênteses dez elevado a menos nove metros cúbicos.
Figura III.3 — a unidade com a potência de 10.

Passo 4 — escalas e posição do papel

O papel

Uma folha milimetrada tem 280 mm num sentido e 180 mm no outro. Escolha entre retrato e paisagem.

Ocupar bem ≠ preencher tudo

A escala que preenche a folha inteira quase nunca é a melhor. Prefira uma escala limpa e fácil de ler, mesmo sobrando papel.

O teste decisivo

Se você precisa fazer contas para localizar um ponto no gráfico, a escala está inadequada.

Passo 4 — o volume, quatro possibilidades

A grandeza varia de 64,1 a 260,0. Ignorando a unidade por um momento:

PosiçãoInícioFaixa ÷ papelEscala adotadaVeredito
retrato (280 mm)do zero260,0/280 = 0,9291,0 unid. : 1 mm260 mm — cabe bem
retrato (280 mm)em 60,0200,0/280 = 0,7141,0 unid. : 1,4 mm1,4 mm não é divisão do papel
paisagem (180 mm)do zero260,0/180 = 1,4442,0 unid. : 1 mm130 mm — sobra muito
paisagem (180 mm)em 60,0200,0/180 = 1,112,0 unid. : 1 mm100 mm — sobra muito
Fuja dos múltiplos de 3

A escala “mais próxima” de 1,444 seria 1,5 — e todo múltiplo ou submúltiplo de 3 leva a dízima periódica. Evite 0,375; 0,75; 1,5; 3; 6; 9; 12…

Painel · experimente

Escolha a folha e a escala, e veja o que acontece

Passo 4 — a temperatura

Varia de 60,00 a 100,00 °C. E vale a regra que muita gente esquece:

Independência

A escala de um eixo é totalmente independente da do outro.

PosiçãoInícioEscalaOcupa
paisagem (280 mm)do zero1,00 : 2 mm200 mm
paisagem (280 mm)em 60,001,00 : 5 mm200 mm
retrato (180 mm)do zero1,00 : 1 mm100 mm — sobra muito
retrato (180 mm)em 60,001,00 : 4 mm160 mm — ocupa bem

Passo 4 — conclusão das conclusões

A melhor combinação para o Exemplo 15

Posição do papel: retrato.

Eixo vertical — volume \(V\) — escala 1,0 unidade : 1 mm, começando do zero.

Eixo horizontal — temperatura \(T\) — escala 1,0 unidade : 4 mm, começando em 60,00.

Repare que os dois eixos usam escalas diferentes e pontos de partida diferentes — e está tudo certo.

Passo 5 — indicação de valores nos eixos

Use múltiplos amigáveis

Preferencialmente 2, 5, 10, 20, 50, 100…

Nunca

Múltiplos ou submúltiplos de primos e fracionários: 3, 7, 9, 11, 13, 17; 2,5; 3,3; 7,5; 8,25; 12,5…

Nunca, de novo

Jamais indique nos eixos os valores dos pontos experimentais. Os valores dos eixos são referências da escala, não os seus dados.

E os valores indicados devem ter a mesma quantidade de algarismos significativos das medidas: 50,0; 100,0; 150,0 — e não 50; 100; 150.

Painel · da tabela para o papel

Um carrinho acelerado, e a folha na sua frente

Painel · onde o eixo começa

Quando a faixa é estreita e fica longe do zero

Passo 6 — marcação dos pontos experimentais

O ponto precisa ser marcado por um sinal que não deixe dúvida sobre sua localização.

Depois de marcar, pare

Nada de tracejados do ponto até os eixos. Identifique apenas os pontos experimentais.

o ponto marcado deve ser inconfundível
Figura III.4 — marcadores aceitáveis.

Passo 7 — traçado da curva

Suave e contínua

O traçado deve ajustar-se o melhor possível aos pontos — não precisa passar por todos.

O erro mais comum de todos

Nunca una os pontos experimentais por segmentos de reta. Isso afirmaria que a relação entre as grandezas é descontínua, o que dificilmente é verdade.

No gráfico final, o primeiro valor do eixo horizontal foi deslocado levemente para a direita: senão o primeiro ponto cairia em cima do eixo vertical.

Exemplo 15 — o gráfico pronto

Gráfico de V versus T em papel milimetrado, com nove pontos experimentais marcados e uma curva suave crescente passando entre eles.
Figura III.5 — sete passos depois.

Os sete passos, de uma vez

  1. Selecionar o papel
  2. Definir os eixos — causa em x, efeito em y
  3. Registrar os eixos com unidade e potência
  4. Determinar escalas e posição da folha
  1. Indicar valores de referência nos eixos
  2. Marcar os pontos experimentais
  3. Traçar a curva suave
Os quatro erros que mais custam nota

Ligar os pontos por retas · escrever os valores experimentais nos eixos · escala em múltiplos de 3 · esquecer a unidade (com a potência) no eixo.

Parte 4

Gráfico linear

Quando a curva é uma reta, os dois coeficientes carregam a física.

Exemplo 16 — bloco descendo um plano inclinado

v (10⁻³ m/s)105,0150,0240,0290,0340,0430,0500,0
t (10⁻² s)1,002,506,008,0010,0013,5016,00

A velocidade é função do tempo, então o gráfico é v versus t. Seguindo os sete passos, a curva traçada é uma reta.

A regra que vale daqui em diante

Sempre que obtiver uma reta num gráfico, calcule os dois coeficientes — e descubra a que grandeza física cada um corresponde.

Exemplo 16 — o gráfico

Gráfico de v versus t em papel milimetrado: sete pontos experimentais alinhados e uma reta traçada entre eles, com os pontos auxiliares P1, P2 e P3 marcados de forma distinta.
Figura III.6 — a curva é uma reta.

A equação da reta

$$ y(x) = a\,x + b $$
a — coeficiente angular

A inclinação. Tem unidade de \([y]/[x]\).

b — coeficiente linear

O valor de \(y\) quando \(x = 0\). Tem a unidade de \([y]\).

A partir do gráfico determinamos esses dois números e os associamos a grandezas físicas que não estavam evidentes na tabela. É assim que se extrai informação de um gráfico.

Coeficiente angular

$$ a = \frac{\Delta y}{\Delta x} = \frac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1} $$
A regra que quase todo mundo erra

\((x_1,y_1)\) e \((x_2,y_2)\) são dois pontos quaisquer da reta — e não podem ser pontos experimentais. Marque-os no gráfico com uma notação diferente da dos dados.

Por quê? Porque a reta é o ajuste aos dados. Usar um ponto experimental seria dar a ele um peso que ele não tem — e ele pode nem estar sobre a reta.

Exemplo 16 — calculando a inclinação

P₂ = (t₂ , v₂) = (14,50×10⁻² s ; 460,0×10⁻³ m/s) P₁ = (t₁ , v₁) = ( 5,00×10⁻² s ; 210,0×10⁻³ m/s) Δv (460,0 − 210,0)×10⁻³ m/s a = ── = ─────────────────────────── = 2,6315789 m/s² Δt (14,50 − 5,00)×10⁻² s a = 2,63 m/s²
Leitura física

A unidade saiu \(\mathrm{m/s^2}\): o coeficiente angular é a aceleração do bloco.

Exemplo 16 — coeficiente linear, dois caminhos

1 · calculado

Toma-se um terceiro ponto não experimental da reta, \(P_3 = (3{,}50\times10^{-2}\,\mathrm{s}\,;\,170{,}0\times10^{-3}\,\mathrm{m/s})\), e usa-se \(b = y_3 - a x_3\):

\(b = 170{,}0\times10^{-3} - (2{,}63)(3{,}50\times10^{-2}) = 78{,}0\times10^{-3}\ \mathrm{m/s}\)

2 · lido

Quando dá para prolongar a reta até cortar o eixo \(y\) (extrapolação), basta ler o valor em \(x = 0\):

\(b = v(t=0) = 79{,}0\times10^{-3}\ \mathrm{m/s}\)

E a pequena diferença?

78,0 contra 79,0 — resultado dos arredondamentos. Os dois são aceitos: a diferença está dentro da margem de erro.

Exemplo 16 — a equação do movimento

Em um gráfico linear de \(v\) versus \(t\):

Coeficiente angular

\(a = \alpha = 2{,}63\ \mathrm{m/s^2}\) — a aceleração

Coeficiente linear

\(b = v_0 = 79{,}0\times10^{-3}\ \mathrm{m/s}\) — a velocidade inicial

$$ v(t) = (2{,}63\ \mathrm{m/s^2})\,t + (79{,}0\times10^{-3}\ \mathrm{m/s}) $$

A tabela tinha catorze números. O gráfico entregou duas grandezas físicas e uma equação.

Parte 5

Linearização

Desentortar a curva para poder ler os coeficientes.

A ideia

Só sabemos extrair coeficientes de uma reta. Então, diante de uma curva qualquer, a estratégia é transformá-la em reta.

Linearização (ou anamorfose)

Trocar a variável do eixo horizontal por uma função dela, de modo que a curva “desentorte” e vire reta.

É o conteúdo em que os alunos mais tropeçam — e o que mais aparece nos relatórios das experiências.

Exemplo 17 — movimento retilíneo

x (m)58,084,0105,0150,0188,0240,0
t (s)5,257,008,0010,0011,5013,00
Gráfico de x versus t em papel milimetrado: os pontos formam uma curva encurvada para cima, uma parábola, e não uma reta.
Figura III.7 — não é reta.

A curva é uma parábola, do tipo

$$ x(t) = \varepsilon t^{2} + \gamma $$
A pergunta

Como determinar graficamente \(\varepsilon\) e \(\gamma\)?

Passo 1 — comparar com a equação da reta

Escrevemos a reta com um super-índice “linha”, para não confundir com a outra equação: \(y'(x') = a'x' + b'\). Comparando termo a termo:

x(t) = ε t² + γ y'(x') = a' x' + b' ─────────────────────────────── x(t) = y'(x') ε = a' t² = x' γ = b'
A conclusão

Se \(y'\) versus \(x'\) é reta, então \(x\) versus \(t^2\) é reta.

\(x\) versus \(t\) → não linear  ·  \(x\) versus \(t^2\) → linear

Passo 2 — calcular a nova tabela

x (m)58,084,0105,0150,0188,0240,0
t (s)5,257,008,0010,0011,5013,00
t² (s²)27,649,064,0100,0132,2169,0
Duas coisas para não esquecer

Respeite os algarismos significativos ao elevar ao quadrado — e a unidade nova: \(t^2\) está em \(\mathrm{s^2}\), não em s.

\(5{,}25^2 = 27{,}5625\), com três algarismos significativos → 27,6.

Passos 3 a 5 — o gráfico linearizado

Gráfico de x versus t ao quadrado em papel milimetrado: agora os pontos estão alinhados e a curva traçada é uma reta.
Figura III.8 — a mesma medida, agora reta.
P₂ = (165,0 s² ; 230,0 m) P₁ = ( 85,0 s² ; 130,0 m) (230,0 − 130,0) m a' = ──────────────────── = 1,25 m/s² (165,0 − 85,0) s²
P₃ = (125,0 s² ; 180,0 m) b' = 180,0 − (1,25)(125,0) = 23,8 m (calculado) b' = x(t² = 0) = 24,0 m (lido)

Exemplo 17 — o resultado

Coeficiente angular

\(\varepsilon = 1{,}25\ \mathrm{m/s^2}\)

Coeficiente linear

\(\gamma = x_0 = 24{,}0\ \mathrm{m}\) — a posição inicial

$$ x(t) = (1{,}25\ \mathrm{m/s^2})\,t^{2} + 24{,}0\ \mathrm{m} $$
Cuidado com a interpretação

Para este movimento, \(x(t) = x_0 + v_0 t + \tfrac{1}{2}\alpha t^2\). Como \(v_0 = 0\) e \(\tfrac{1}{2}\alpha = \varepsilon\), a aceleração é \(\alpha = 2\varepsilon = \mathbf{2{,}50\ \mathrm{m/s^2}}\) — e não 1,25. O coeficiente angular nem sempre é a grandeza que você procura: às vezes é um múltiplo dela.

O catálogo da linearização

Equação do fenômenoGráfico não linearGráfico linearizado
\(Y = CX^{2} + D\)Y versus XY versus \(X^{2}\)
\(Y = CX^{1/2} + D\)Y versus XY versus \(X^{1/2}\)
\(Y = CX^{-1} + D\)Y versus XY versus \(X^{-1}\)
\(Y = CX^{3} + D\)Y versus XY versus \(X^{3}\)
\(Y = C\cos X + D\)Y versus XY versus \(\cos X\)
\(Y = C\ln X + D\)Y versus XY versus \(\ln X\)
\(Y = Ce^{X} + D\)Y versus XY versus \(e^{X}\)
\(Y = CX^{n} + D\)Y versus XY versus \(X^{n}\)

Em todos: \(C = a'\) (coeficiente angular) e \(D = b'\) (coeficiente linear). O padrão é sempre o mesmo — troque o eixo x pela função que aparece na equação.

Painel · os dois espaços ao mesmo tempo

A reta de um lado é a curva do outro

Parte 6

Papel mono-log

Para \(y = A e^{Bx}\), o papel já faz o logaritmo por você.

Duas funções merecem papel próprio

Toda curva pode ser graficada em milimetrado, e a linearização resolve o caso geral. Mas duas famílias de funções variam muito rápido e aparecem o tempo todo em Física: a exponencial e a potência.

Mono-log

Um eixo linear, outro logarítmico. Lineariza \(y = Ae^{Bx}\).

Di-log

Os dois eixos logarítmicos. Lineariza \(y = kx^{n}\).

A economia

Nesses papéis não é preciso calcular a nova tabela de logaritmos: marcam-se os valores medidos diretamente.

Exemplo 18 — carga de um capacitor

V (μV)3,608,0014,0031,0080,00180,00270,00
t (ms)5,0015,0020,0030,0041,5050,0055,00

Sabe-se que o fenômeno obedece a \(V(t) = A e^{Bt}\). Como achar \(A\) e \(B\)?

ln[V(t)] = ln[A e^{Bt}] = ln[A] + B·t·ln[e] = ln[A] + B·t comparando com y'(x') = a' x' + b' : ln[V(t)] = y'(x') B = a' t = x' ln[A] = b'

Logo ln V versus t é reta — e é isso que o papel mono-log desenha sozinho.

O papel mono-log

Folha de papel mono-log em branco: eixo horizontal com escala linear de 0 a 120 e eixo vertical com escala logarítmica de 1 a 1000, dividido em três décadas.
Figura III.9
  • Abscissas: escala linear, em geral 120 unidades.
  • Ordenadas: escala logarítmica de base 10, dividida em décadas.
  • Cada década multiplica por 10 a anterior: 1 → 10 → 100 → 1000.
Nunca comece do zero

O logaritmo não é definido em zero. A escala começa em qualquer potência de dez: … 0,01; 0,1; 1; 10; 100; 1000 …

No eixo logarítmico não estão representados os valores, mas os logaritmos deles.

Exemplo 18 — o gráfico e as constantes

Gráfico de V versus t em papel mono-log: os pontos experimentais ficam alinhados numa reta ascendente, com os pontos auxiliares P1, P2 e P3 marcados.
Figura III.10 — reta no mono-log.
A diferença que se anota

No milimetrado o ponto é \([t_1,\,(\ln V)_1]\); no mono-log é \([t_1,\,\ln(V_1)]\) — lê-se \(V\) direto e o logaritmo entra na conta.

P₂ = (45,00 ms ; 110,00 μV) P₁ = (25,00 ms ; 20,00 μV) ln(V₂/V₁) ln(110,00/20,00) 1,70474809 B = ───────── = ────────────────── = ────────── (t₂ − t₁) (45,00−25,00)×10⁻³ s 20,00×10⁻³ B = 85,24 s⁻¹

Exemplo 18 — a constante A

Como \(V(t) = Ae^{Bt}\), então \(V(0) = A\): basta ler onde a reta corta \(t = 0\).

Lido

\(A = 2{,}35\ \mathrm{\mu V}\)

Calculado

Com \(P_3 = (33{,}00\ \mathrm{ms}\,;\,40{,}00\ \mathrm{\mu V})\):

\(A = \dfrac{V_3}{e^{Bt_3}} = \dfrac{40{,}00}{e^{(85{,}24)(0{,}033)}} = 2{,}40\ \mathrm{\mu V}\)

A unidade de B

O argumento da exponencial é adimensional. Então a unidade da constante dentro dela é sempre a inversa da unidade de \(x\) — aqui, \(\mathrm{s^{-1}}\).

Mono-log, em resumo

Quando \(y(x) = Ae^{Bx}\)

O gráfico \(y\) versus \(x\) em papel mono-log é uma reta.

$$ B = \frac{\ln(y_2) - \ln(y_1)}{x_2 - x_1} = \frac{\ln(y_2/y_1)}{x_2 - x_1} $$ $$ A = \frac{y_3}{e^{Bx_3}}\ \text{(calculado)} \qquad\text{ou}\qquad A = y(x=0)\ \text{(lido)} $$

Os valores obtidos no mono-log devem concordar com os do gráfico \(\ln y\) versus \(x\) feito em milimetrado. Se não concordarem, algo está errado em um dos dois.

Parte 7

Papel di-log

Para \(y = kx^{n}\), quando nem o expoente se conhece.

Duas situações, dois caminhos

Muitos fenômenos obedecem a \(y(x) = kx^{n}\). Para linearizar:

Se \(n\) é conhecido

Faça \(x' = x^{n}\) e trace \(y\) versus \(x^{n}\) em milimetrado. Reta, e calcula-se \(k\) pelo procedimento de sempre.

Se \(n\) é desconhecido

É o caso comum. Use o papel di-log — nele o próprio expoente aparece como coeficiente angular.

log[I(V)] = log[C·Vʷ] = log[C] + w·log[V] comparando com y'(x') = a' x' + b' : log[I] = y'(x') w = a' log[V] = x' log[C] = b'

Exemplo 19 — corrente numa lâmpada

I (mA)22,060,091,0180,0330,0520,0
V (V)0,6002,5004,00011,50026,00049,000

O filamento incandescente não é ôhmico: \(I(V) = C V^{w}\), com \(C\) e \(w\) desconhecidos.

Folha de papel di-log em branco: os dois eixos com escala logarítmica de base 10, divididos em décadas.
Figura III.11 — papel di-log.
Também aqui

Os dois eixos são logarítmicos, divididos em décadas. Nenhum deles pode começar do zero.

Exemplo 19 — lendo o expoente no gráfico

Gráfico de I versus V em papel di-log: os pontos experimentais alinhados numa reta ascendente, com os pontos auxiliares marcados.
Figura III.12 — reta no di-log.
P₂ = (20,000 V ; 280,0 mA) P₁ = ( 1,000 V ; 30,0 mA) log(I₂/I₁) log(280,0/30,0) 0,97003678 w = ────────── = ───────────────── = ─────────── log(V₂/V₁) log(20,00/1,000) 1,3010300 w = 0,746
w é um número puro

O resultado de um logaritmo é adimensional — como tem de ser, já que \(w\) é um expoente.

Exemplo 19 — a constante C

Como \(I(V) = CV^{w}\), em \(V = 1\) temos \(I = C\cdot 1^{w} = C\). Basta ler onde a reta cruza a vertical de \(V = 1\).

Lido

\(C = 30{,}0\ \mathrm{mA\cdot V^{-0{,}746}}\)

Calculado

Com \(P_3 = (5{,}000\ \mathrm{V}\,;\,100{,}0\ \mathrm{mA})\):

\(C = \dfrac{I_3}{V_3^{\,w}} = \dfrac{100{,}0}{5{,}000^{0{,}746}} = 30{,}1\ \mathrm{mA\cdot V^{-0{,}746}}\)

A unidade de k, no caso geral

De \(y = kx^{n}\) segue \([y] = [k]\,[x]^{n}\), logo \([k] = [y]\,[x]^{-n}\). É por isso que a unidade de \(C\) tem um expoente quebrado — e está correto.

Di-log, em resumo

Quando \(y(x) = kx^{n}\)

O gráfico \(y\) versus \(x\) em papel di-log é uma reta.

$$ n = \frac{\log(y_2) - \log(y_1)}{\log(x_2) - \log(x_1)} $$ $$ k = \frac{y_3}{(x_3)^{n}}\ \text{(calculado)} \qquad\text{ou}\qquad k = y(x=1)\ \text{(lido)} $$
Mono-log

lê-se \(A\) em \(x = 0\)

Di-log

lê-se \(k\) em \(x = 1\)

Qual papel usar?

A equação é…PapelO que a reta entrega
\(y = ax + b\)milimetrado\(a\) e \(b\) direto
\(y = Cx^{n} + D\), com \(n\) conhecidomilimetrado, \(y\) versus \(x^{n}\)\(C\) e \(D\)
\(y = Ae^{Bx}\)mono-log\(B\) na inclinação, \(A\) em \(x=0\)
\(y = kx^{n}\), com \(n\) desconhecidodi-log\(n\) na inclinação, \(k\) em \(x=1\)

Note a diferença entre as duas últimas linhas: a exponencial tem o \(x\) no expoente; a potência tem o \(x\) na base. Trocar uma pela outra é o engano mais comum na hora de escolher o papel.

Parte 8

Um caso histórico

Quando a inclinação de uma reta mudou a ideia que se tinha do universo.

1929 · Edwin Hubble

A inclinação era a expansão do universo

Gráfico original de Hubble de 1929: velocidade radial em quilômetros por segundo no eixo vertical contra distância em parsecs no eixo horizontal, com pontos bastante dispersos e duas retas ajustadas.

E. Hubble, PNAS 15, 168 (1929) · domínio público

Hubble marcou a velocidade radial de galáxias contra a distância delas. Vinte e poucos pontos, bem espalhados.

O que a reta entregou

O coeficiente angular dizia que quanto mais longe a galáxia, mais rápido ela se afasta — e proporcionalmente à distância. Era a assinatura de um universo em expansão.

O gráfico tem exatamente a estrutura que estudamos hoje: pontos experimentais, uma reta ajustada, e um coeficiente angular que é uma grandeza física — hoje chamada de constante de Hubble.

O que esse gráfico ensina para o seu relatório

A dispersão é honesta

Os pontos de Hubble estão longe da reta. Ele não os “ajeitou”: traçou a reta que melhor os representa e deixou a dispersão à vista.

A reta não passa pelos pontos

Ela passa entre eles. É por isso que os pontos usados para calcular os coeficientes não podem ser experimentais.

E um detalhe que envelheceu mal

A inclinação que Hubble obteve dava uma idade para o universo menor que a idade da Terra — o eixo das distâncias estava sistematicamente errado. A forma do gráfico estava certa; a calibração do eixo, não. Um erro sistemático, como os da Aula 1.

Parte 9

Linearizar ao vivo

Escolha o fenômeno, escolha a transformação, veja se endireita.

Simulação

Qual transformação endireita esta curva?

Parte 10

Exercícios IV

Enunciados completos nas páginas 30 e 31 da Apostila 2.

Exercícios 1 a 3

  1. MRUV. Dados de \(x\) e \(t\). Faça \(x\) versus \(t\), observe a curva; linearize com \(x\) versus \(t^2\); calcule os dois coeficientes; escreva \(x(t)\).
  2. \(y = ax^{n}\). Faça \(y\) versus \(x\) em milimetrado (não é linear); depois \(\log y\) versus \(\log x\) em milimetrado; calcule os coeficientes; refaça em papel di-log e compare os resultados obtidos nos dois papéis.
  3. \(y = ae^{bx}\). Mesmo roteiro: milimetrado, depois \(\ln y\) versus \(x\), depois mono-log, e compare.

Os exercícios 2 e 3 pedem deliberadamente os dois caminhos — o trabalhoso e o do papel especial — para você conferir que dão o mesmo resultado.

Exercícios 4 a 6

  1. Constante elástica pelo método dinâmico. Com \(T = 2\pi\sqrt{m/k}\) e uma tabela de \(T\) e \(m\), determine \(k\) a partir de um gráfico linear em papel milimetrado.
  2. Pressão de vapor. Com \(P(T) = P_0 e^{-\lambda/RT}\) e \(R = 8{,}314\ \mathrm{J/(mol\,K)}\), escolha o papel adequado, faça o gráfico linear e calcule \(P_0\) e \(\lambda\), com unidades.
  3. Onda eletromagnética. Com \(S(E) = AE^{B}\), escolha o papel adequado e determine \(A\) e \(B\), com unidades.
Repare no exercício 5

O expoente é \(-\lambda/RT\), com o \(T\) no denominador. A linearização não é \(\ln P\) versus \(T\), e sim \(\ln P\) versus \(1/T\). Ler a equação com atenção antes de escolher o eixo vale mais que qualquer regra decorada.

Resumo

Construir

  • Causa em x, efeito em y.
  • Unidade — com a potência — nos dois eixos.
  • Escala limpa; nada de múltiplos de 3.
  • Nunca os valores experimentais nos eixos.
  • Curva suave; jamais ligar pontos por retas.

Extrair

  • Achou reta, calcule \(a\) e \(b\).
  • Pontos do cálculo nunca são experimentais.
  • Não é reta? Linearize.
  • Exponencial → mono-log; potência → di-log.
  • Confira a unidade que sai de cada coeficiente.
A pergunta que resolve quase tudo

Olhando a equação do fenômeno, o que precisa ir no eixo x para que ela vire \(y = ax + b\)? A resposta é a linearização.

Para levar da aula

A reta é a única curva
que se deixa ler.

Apostila 2 e material completo em github.com/RafaelCRdeLima/FEX1001

FEX1001 · Física Experimental I · Prof. Rafael de Lima · CCT/UDESC