Fonte: Andrew Duffy, PhD, Departamento de Física, Universidade de Boston, Boston, MA

Este experimento examina em várias situações envolvendo dois objetos interagindo.

Primeiro, o experimento examina as forças que dois objetos aplicam um ao outro enquanto colidem. Os objetos são carrinhos de rodas que têm massas variáveis. O objetivo deste experimento é descobrir quando a força que o primeiro carrinho exerce sobre o outro é a mesma magnitude que a força que o segundo carrinho exerce de volta na primeira, bem como quando essas duas forças têm magnitudes diferentes.

Em segundo lugar, examina as forças que dois objetos exercem um sobre o outro quando um carrinho está empurrando ou puxando o segundo. Mais uma vez, o foco é explorar as situações em que as duas forças têm a mesma magnitude e nas quais têm magnitudes diferentes.

O objetivo principal deste experimento é explorar a terceira lei de Newton.

O aparelho é composto por dois carrinhos, cada um com um sensor de força montado na parte superior(Figura 1). Os sensores de força são conectados a um computador através de uma interface de computador dedicada. Cada sensor de força mede a força exercida sobre ele pelo outro sensor de força durante a colisão ou a situação de empurrar/puxar.

Figura 1. A configuração básica. Os principais componentes do aparelho são os carrinhos de duas rodas, cada um com um sensor de força montado na parte superior, e uma interface de computador.

1. Situações de colisão

1. Enrosque um para-choque de borracha(Figura 1) em cada sensor de força.
2. Ajuste cada sensor de força na configuração 50-N.
3. Zero os sensores de força antes de cada teste, apertando o botão "Zero" ao lado do arqueiro verde que inicia a coleta de dados.
4. Verifique se a direção positiva (ou seja, à direita) é definida adequadamente para cada sensor de força.
   1. Empurre o sensor de força montado à direita do carrinho; isso deve resultar em uma leitura de força positiva. Empurre o sensor de força montado à esquerda do carrinho; isso deve resultar em uma leitura de força negativa.
   2. Se ambos estiverem errados, basta inverter a posição do carrinho.
5. Se apenas um estiver errado, vá para o "menu experimentar" e selecione "Sensores de configuração". Escolha o sensor de força apropriado e selecione "Direção Inversa".
6. A primeira colisão envolve carrinhos de massa igual. Designe um carrinho para ficar parado antes da colisão. O outro carrinho terá uma velocidade inicial em direção ao carrinho estacionário para que as carroças colidam.
7. Aperte o botão "Coletar" (o arqueiro verde) antes de empurrar um carrinho em direção ao outro. Dê um empurrão pequeno em um carrinho, solte o carrinho e observe a colisão. Os valores de força máxima entre cerca de 8 e 20 N devem ser observados em um ensaio típico. Ajuste o empurrão se os valores de força máxima forem muito menores ou muito maiores do que essa faixa.
8. Após a colisão, o computador exibirá um gráfico de "força vs. tempo", como registrado por cada sensor de força.
   1. Se os gráficos não aparecerem, reverta o acionamento.
   2. Depois de apertar o botão "Coletar", nenhum dado é realmente registrado até que um dos sensores de força regisse um valor acima (ou abaixo) de um certo nível de gatilho. No entanto, se o nível de gatilho for definido como um valor positivo e o sensor de força estiver apenas dando valores negativos de força, ou vice-versa, o computador nunca receberá o sinal dizendo-lhe para gravar dados.
   3. Para verificar ou reverter a configuração do gatilho, pressione o ícone "Coleta de dados" (imediatamente à esquerda do botão "Zero") e selecione a guia "Acionando".
9. As duas opções utilizadas neste experimento são "Aumentando em 0,2 N" e "Diminuindo em -0,2 N". Se uma dessas configurações não estiver causando o acionamento necessário, mude para a outra.
   1. Na segunda colisão, a carreta estacionária deve ter de 2 a 3 vezes a massa do carrinho que está se movendo antes da colisão. Para isso, adicione um ou mais pesos ao carrinho estacionário. Repita o processo (veja as etapas abaixo).
   2. Designe o carrinho de maior massa para ficar parado antes da colisão.
   3. Aperte o botão "Coletar" e pressione o carrinho de massa inferior em direção ao carrinho de massa mais alta.
   4. O computador exibirá os dois gráficos "força vs. tempo".

Na terceira colisão, a carreta que se move antes da colisão deve ter de 2 a 3 vezes a massa do carrinho estacionário. Consiga isso transferindo o peso extra de um carrinho para o outro. Repita o processo de realização da colisão e coleta dos dados.

2. Situações de empurrar e puxar

1. Substitua os para-choques de borracha em cada sensor de força por ganchos.
2. Enganchar os carrinhos para permitir que um carrinho empurre ou puxe o outro carrinho.
3. Reverter a condição de acionamento, conforme descrito na etapa 1.8.
4. Comece com carrinhos de massa igual.
5. Aperte o botão "Coletar".
6. Puxe ou empurre um dos carrinhos para que ele puxe ou empurre o outro carrinho, respectivamente, ou balance-o para frente e para trás para que haja tanto puxar e empurrar.
7. Dê ao carrinho ser puxado e/ou empurrado 2-3 vezes a massa do outro carrinho. Repita o processo de coleta de dados.
   1. Registo os dados de "força versus tempo" para este cenário de empurrar/puxar.
8. Dê ao carrinho fazendo o puxão e/ou empurrando 2-3 vezes a massa do outro carrinho. Repita o processo de coleta de dados.
   1. Regisso recorde os dados de "força vs. tempo" neste cenário de empurrar/puxar.

A terceira lei de Newton afirma que sempre que dois objetos interagem, o segundo objeto exerce uma força sobre o primeiro objeto que é igual em magnitude e oposto na direção da força que o primeiro objeto exerce sobre o segundo. Isso é simples de afirmar, mas pode ser difícil de aceitar. Por exemplo, muitas vezes se supõe que a força que um objeto maior exerce sobre um objeto menor é maior do que a força que o objeto menor exerce de volta sobre o objeto maior.

Figura 2. Resultado da primeira colisão. As forças experimentadas pelos carrinhos são iguais e opostas.

Figura 3. Resultado da segunda colisão. As forças experimentadas pelos carrinhos são iguais e opostas.

Figura 4. Resultado da terceira colisão. As forças experimentadas pelos carrinhos são iguais e opostas.

Figura 5. Resultado da primeira situação de empurra/puxar. As forças experimentadas pelos carrinhos são iguais e opostas.

Figura 6. Resultado da segunda situação de empurra/puxar. As forças experimentadas pelos carrinhos são iguais e opostas.

Figura 7. Resultado da terceira situação de empurra/puxar. As forças experimentadas pelos carrinhos são iguais e opostas.

O conceito abordado neste experimento, ou seja, que, em todas as interações, a força que um objeto aplica a outro é igual em magnitude e oposta na direção à força aplicada pelo segundo objeto de volta no primeiro, tem muitas aplicações. Por exemplo, (1) a força gravitacional que o Sol aplica à Terra é igual e oposta à força gravitacional que a Terra aplica ao Sol. (2) A força gravitacional que a Terra aplica à Lua é igual e oposta à força gravitacional que a Lua aplica à Terra. (3) A força gravitacional que a Terra exerce sobre uma maçã é igual e oposta à força gravitacional que a maçã aplica à Terra. (4) Em uma colisão, como entre um carro e um caminhão na rua ou entre dois jogadores de futebol, as forças são sempre iguais e opostas, não importa como as massas se comparam. (5) Quando uma pessoa fica em um andar ou se senta em uma cadeira, a força exercida sobre essa pessoa pelo chão ou pela cadeira é igual e oposta à força que a pessoa exerce no chão ou na cadeira.