UFC 2001 · 2ª Etapa — Questões de Física comentadas — Método TEF

Universidade Federal do Ceará

Vestibular 2001 · 2ª Etapa · Física (Q01-Q08)

Q01
Eletricidade — Eletrodinâmica — Lei das malhas
Circuito com fonte de 36 V, resistor de 8,0 ohms, eletrodos A, B e C e resistor de 4,0 ohms

No dispositivo representado ao lado, as diferenças de potencial entre os eletrodos satisfazem a seguinte relação: $V_A-V_B=2\,(V_B-V_C)$. Supondo desprezível a corrente através do fio ligado ao eletrodo C, calcule a corrente no circuito.

Resposta — UFC 2001 · 2ª Etapa

$i=1{,}8\ \text{A}$

Resolução

Pela relação do enunciado,

$$V_A-V_B=2\,(V_B-V_C).\qquad(1)$$

A lei das malhas na malha maior, com a mesma corrente $i$ no resistor de 8,0 Ω, entre A e B e no resistor de 4,0 Ω (a corrente em C é desprezível), dá

$$E=8{,}0\,i+(V_A-V_B)+4{,}0\,i.\qquad(2)$$

A ddp no resistor de 4,0 Ω é $V_B-V_C=4{,}0\,i$. Pela eq. (1),

$$V_A-V_B=2\times4{,}0\,i=8{,}0\,i.$$

Substituindo em (2): $E=8{,}0\,i+8{,}0\,i+4{,}0\,i=20\,i$, portanto

$$i=\dfrac{E}{20}=\dfrac{36}{20}=1{,}8\ \text{A}.$$

Q02
Mecânica — Quantidade de movimento — Força de impacto de um jato de água

Água cai verticalmente, com velocidade inicial nula, de um reservatório, com uma vazão constante de 0,10 kg/s sobre o solo, 1,8 m abaixo. Sabendo que a força que o solo faz sobre a água é igual à variação da quantidade de movimento linear da água por unidade de tempo, calcule a força que a água faz sobre o solo, ao cair. Considere a aceleração da gravidade no local, $g=10\ \text{m/s}^2$ e despreze a resistência do ar.

Resposta — UFC 2001 · 2ª Etapa

$F=0{,}60\ \text{N}$

Resolução

Pela terceira lei de Newton, a força da água sobre o solo tem o mesmo módulo que a do solo sobre a água.

Num intervalo $\Delta t$, uma massa $m$ de água chega ao solo com velocidade $v$ e a perde no contato. Sua quantidade de movimento varia de $mv$ para zero, então a força é

$$F=\dfrac{mv}{\Delta t}=\dfrac{m}{\Delta t}\,v.$$

A fração $\dfrac{m}{\Delta t}$ é a vazão, 0,10 kg/s. A velocidade $v$ é a de uma queda livre de 1,8 m:

$$v=\sqrt{2gh}=\sqrt{2\cdot10\cdot1{,}8}=6{,}0\ \text{m/s}.$$

Portanto $F=0{,}10\times6{,}0=0{,}60$ N, conforme a definição de força dada no enunciado.

Q03
Mecânica — Colisões — Pêndulo balístico
Bala de massa m e velocidade v0 atravessando o bloco M pendurado; depois, o bloco sobe uma altura h e a bala sai com velocidade v

Uma bala de massa $m$ e velocidade $v_0$ atravessa, quase instantaneamente, um bloco de massa $M$, que se encontrava em repouso, pendurado por um fio flexível, de massa desprezível. Nessa colisão a bala perde $\tfrac34$ de sua energia cinética inicial. Determine a altura $h$, alcançada pelo pêndulo.

Resposta — UFC 2001 · 2ª Etapa

$h=\dfrac{m^2v_0^2}{8M^2g}$

Resolução

A energia cinética final da bala é $\tfrac14$ da inicial, então sua velocidade final é a metade da inicial: $v=\tfrac{v_0}{2}$.

No choque, a energia cinética não se conserva, mas a quantidade de movimento sim, pois a força externa total é nula (horizontalmente) durante o choque rápido. Sendo $V$ a velocidade do bloco logo após a passagem da bala:

$$mv_0=MV+m\dfrac{v_0}{2}\ \Rightarrow\ V=\dfrac{mv_0}{2M}.$$

Depois, a energia mecânica do pêndulo se conserva. No ponto de retorno, a uma altura $h$, toda a energia é potencial:

$$\dfrac12MV^2=Mgh\ \Rightarrow\ h=\dfrac{V^2}{2g}=\dfrac{m^2v_0^2}{4M^2\cdot2g}=\dfrac{m^2v_0^2}{8M^2g}.$$

Q04
Óptica e Ondulatória — Óptica geométrica — Refração em lâmina de faces paralelas
Feixe de laser incidindo com ângulo θi numa lâmina de índice n e espessura t; os raios refletidos nas duas faces chegam à tela S, separados por y; x é o deslocamento horizontal no interior da lâmina

Um feixe de laser incide sobre uma lâmina de vidro de índice de refração $n$ e espessura $t$. O feixe incidente faz um ângulo $\theta_i$ com a direção normal à superfície da lâmina (veja figura). Sobre a tela S é medida a distância $y$ entre os raios de luz que chegam após reflexão na superfície superior da lâmina e os raios que chegam após serem refletidos na superfície inferior. Esse arranjo permite determinar o índice de refração da lâmina de vidro. Usando a Lei de Snell e, considerando o índice de refração do ar igual a 1, mostre que, para $\theta_i=45^\circ$, o índice de refração da lâmina é dado por

$$n=\left[\dfrac{2t^2}{y^2}+\dfrac12\right]^{1/2}$$

Resposta — UFC 2001 · 2ª Etapa

$n=\sqrt{\dfrac{2t^2}{y^2}+\dfrac12}$ (demonstração)

Resolução

Geometria. O raio refratado, com ângulo $\theta_r$ em relação à normal, atravessa a espessura $t$ e atinge a face inferior deslocado horizontalmente de $x=t\,\text{tg}\,\theta_r$. Depois de refletir, ele volta à face superior com deslocamento total $2t\,\text{tg}\,\theta_r$ em relação ao ponto de entrada.

Como $\theta_i=45^\circ$, os raios refletidos fazem 45° com a superfície, e a separação vertical entre eles na tela é igual ao deslocamento horizontal entre os pontos de saída: $y=2t\,\text{tg}\,\theta_r$, isto é,

$$\text{tg}\,\theta_r=\dfrac{y}{2t}.$$

Lei de Snell. Com $n_{ar}=1$:

$$\text{sen}\,\theta_i=n\,\text{sen}\,\theta_r\ \Rightarrow\ n=\dfrac{\text{sen}\,45^\circ}{\text{sen}\,\theta_r}=\dfrac{1}{\sqrt2\,\text{sen}\,\theta_r}.$$

Trigonometria. Usando $\text{sen}\,\theta_r=\dfrac{\text{tg}\,\theta_r}{\sqrt{1+\text{tg}^2\theta_r}}$:

$$n=\dfrac{1}{\sqrt2}\,\dfrac{\sqrt{1+\text{tg}^2\theta_r}}{\text{tg}\,\theta_r}=\dfrac{1}{\sqrt2}\sqrt{\dfrac{4t^2}{y^2}+1}=\sqrt{\dfrac{2t^2}{y^2}+\dfrac12}.$$

Q05
Mecânica — Hidrostática — Equilíbrio de haste parcialmente submersa
Haste inclinada presa por uma corda a um suporte, com metade do comprimento mergulhada na água do tanque

Uma haste cilíndrica homogênea está suspensa por uma corda, em um tanque de água, com metade de seu comprimento submersa, conforme mostra a figura ao lado. Se a corda for cortada que fração do volume da barra ficará submersa?

Resposta — UFC 2001 · 2ª Etapa

$\dfrac34$ do volume

Resolução

Equilíbrio antes do corte. Seja $L$ o comprimento da barra, $m$ sua massa e $E$ o empuxo, cuja linha de ação passa pelo meio da parte mergulhada. Medindo as distâncias ao longo da barra a partir do ponto de suspensão A (a tração não tem momento em A), o peso age a $\tfrac L2$ de A e o empuxo a $\tfrac L2+\tfrac L4=\tfrac{3L}{4}$. Os dois têm o mesmo ângulo com a horizontal, então os momentos em relação a A satisfazem

$$mg\cdot\dfrac L2\cos\alpha-E\cdot\dfrac{3L}{4}\cos\alpha=0\ \Rightarrow\ E=\dfrac23\,mg.$$

Densidade da barra. Com metade do volume submerso, $E=\rho_a\,g\,\dfrac V2$, sendo $\rho_a$ a densidade da água e $V$ o volume da barra. Logo

$$\rho_a g\dfrac V2=\dfrac23\rho_bVg\ \Rightarrow\ \rho_b=\dfrac34\rho_a.$$

Depois do corte. A barra flutua em equilíbrio quando o empuxo iguala o peso: $\rho_a\,V_{sub}\,g=\rho_b\,V\,g$, ou seja,

$$\dfrac{V_{sub}}{V}=\dfrac{\rho_b}{\rho_a}=\dfrac34.$$

Q06
Termologia — Termodinâmica — Aquecimento isobárico de gás ideal
Cilindro vertical com gás e êmbolo de massa M

Um cilindro de área de seção reta $A$, contém um gás ideal monoatômico e dispõe de um êmbolo de massa $M$, que pode deslizar sem atrito. O gás está inicialmente à temperatura $T_0$ e volume $V_0$. A temperatura do sistema é então aumentada, lentamente, até atingir um valor $T$. Calcule a quantidade de calor fornecida e o trabalho realizado pelo gás. Obs.: o calor específico molar do gás, a volume constante, é $C_V=(3/2)R$ e o calor específico molar, a pressão constante, é $C_P=C_V+R$, onde $R$ é a constante universal dos gases.

Resposta — UFC 2001 · 2ª Etapa

$W=\left(p_0+\dfrac{Mg}{A}\right)V_0\left(\dfrac{T}{T_0}-1\right)$

$Q=\dfrac52\left(p_0+\dfrac{Mg}{A}\right)V_0\left(\dfrac{T}{T_0}-1\right)$

Resolução

Pressão. Supondo o êmbolo sob a atmosfera, de pressão $p_0$, o gás precisa equilibrar também o peso do êmbolo:

$$p=p_0+\dfrac{Mg}{A}.\qquad(1)$$

Essa pressão se mantém constante durante o aquecimento lento. Com $pV_0=nRT_0$ e $pV=nRT$:

$$V=\dfrac{T}{T_0}V_0\qquad n=\dfrac{pV_0}{RT_0}.\qquad(2)$$

Trabalho. À pressão constante, $W=p\,\Delta V$:

$$W=\left(p_0+\dfrac{Mg}{A}\right)\left(\dfrac{T}{T_0}V_0-V_0\right)=\left(p_0+\dfrac{Mg}{A}\right)V_0\left(\dfrac{T}{T_0}-1\right).$$

Calor. À pressão constante, $Q=nC_P\Delta T$, com $C_P=\tfrac32R+R=\tfrac52R$:

$$Q=\dfrac{pV_0}{RT_0}\cdot\dfrac52R\,(T-T_0)=\dfrac52\left(p_0+\dfrac{Mg}{A}\right)V_0\left(\dfrac{T}{T_0}-1\right).$$

Q07
Mecânica — Cinemática — Eventos periódicos simultâneos

Dois sinos começam a badalar, simultaneamente, no tempo $t=0$. Um deles tem freqüência de 60 badaladas por minuto e o outro, uma freqüência de 56 badaladas por minuto. Quantos segundos, após $t=0$, transcorrerão até a ocorrência das próximas badaladas simultâneas?

Resposta — UFC 2001 · 2ª Etapa

$15\ \text{s}$

Resolução

Os períodos entre badaladas são $T_1=\dfrac{60}{60}=1\ \text{s}$ e $T_2=\dfrac{60}{56}=\dfrac{15}{14}\ \text{s}$.

As badaladas coincidem quando $n\cdot1=m\cdot\dfrac{15}{14}$, com $n$ e $m$ inteiros, isto é, $14\,n=15\,m$. O menor par de inteiros positivos é $n=15$, $m=14$.

O máximo divisor comum de 60 e 56 é 4, o que equivale a um ciclo de $\tfrac14$ de minuto: o primeiro sino dá 15 badaladas e o segundo 14. As próximas badaladas simultâneas ocorrem em $t=15\ \text{s}$.

Q08
Mecânica — Estática e elasticidade — Módulo de Young
Figuras a e b: barra de comprimento L0 e L sob tração F. Figura c: gráfico da tensão em 10^6 N/m² em função da deformação relativa, com os pontos O, P (0,020; 200) e R (0,20; 300)

Uma barra de aço, cilíndrica, de comprimento inicial $L_0$ e área de seção reta $A$ (ver figura a), é deformada pela ação de uma força de tração $F$, aplicada conforme mostrado na figura b. O gráfico da figura c mostra como varia a tensão $\sigma$ (força de tração por unidade de área de seção reta) versus deformação relativa, $\dfrac{\Delta L}{L_0}=\dfrac{L-L_0}{L_0}$. O trecho da curva compreendido entre os pontos O e P corresponde a uma relação linear entre tensão e deformação relativa, dada por $\sigma=E\,\dfrac{\Delta L}{L_0}$, em que a constante $E$ é conhecida como módulo de elasticidade ou módulo de Young. O ponto R, marcado sobre a curva da figura c, indica o par de valores (tensão, deformação relativa) para o qual há ruptura da barra.

  1. Calcule o valor da constante $E$ para o aço em questão e expresse suas unidades.
  2. Qual a porcentagem de alongamento da barra no ponto em que ela atinge o rompimento?

Resposta — UFC 2001 · 2ª Etapa

a) $E=1{,}0\times10^{10}\ \text{N/m}^2$

b) $20\%$

Resolução

a) No ponto P, $\sigma_P=200\times10^{6}$ N/m² e $\dfrac{\Delta L}{L_0}=0{,}020$. Na região linear, $\sigma=E\,\dfrac{\Delta L}{L_0}$, então

$$E=\dfrac{200\times10^{6}}{0{,}020}=1{,}0\times10^{10}\ \text{N/m}^2.$$

b) No ponto R, $\dfrac{\Delta L}{L_0}=0{,}20$, ou seja, $\Delta L=0{,}20\,L_0$: o alongamento na ruptura é de 20 % do comprimento inicial.

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