Muitas pessoas ainda se espantam com o fato de um passageiro sair ileso de um acidente de carro enquanto o veículo onde estava teve perda total. Essas pessoas talvez considerem, equivocadamente, que os carros mais seguros são os que têm as estruturas mais rígidas, ou seja, estruturas que, durante uma colisão, apresentam menor deformação. Na verdade, o que ocorre é o contrário. Por isso, a partir de 1958, passaram a ser produzidos carros com partes que se deformam facilmente.
DAY, C. Crumple Zones. Disponível em: https://pubs.aip.org. Acesso em: 2 jul. 2024 (adaptado).
Assim, além dos cintos de segurança e dos airbags, os carros modernos passaram a contar com o dispositivo de segurança conhecido como crumple zone (região deformável, em inglês), conforme a figura.
Momentum and Car safety. GCSE Physics Revision. Disponível em: www.shalom-education.com. Acesso em: 5 jul. 2024 (adaptado).
Considerando o carro, seus ocupantes e o muro da figura como um sistema isolado, o crumple zone aumenta a segurança dos passageiros porque, durante a colisão, a deformação da estrutura do carro
Numa batida, a quantidade de movimento do sistema isolado se conserva, com ou sem deformação. Então a crumple zone não "consome" quantidade de movimento, o que descarta C e E.
O que a região deformável faz é amassar de propósito. Para amassar o metal é preciso energia, e essa energia sai da energia cinética do carro. Ela vira deformação, som e calor na lataria, em vez de ir para o corpo dos passageiros.
De quebra, amassar leva tempo: a colisão dura mais e, com o mesmo $\Delta Q$ num $\Delta t$ maior, a força média sobre os ocupantes diminui ($F=\Delta Q/\Delta t$).
Por isso um carro que fica destruído pode ter salvado quem estava dentro: a lataria absorveu a energia cinética do sistema.
Nos automóveis, é importante garantir que o centro de massa (CM) de cada conjunto roda/pneu coincida com o seu centro geométrico. Esse processo é realizado em uma máquina de balanceamento, na qual o conjunto roda e pneu é colocado para girar a uma velocidade de valor constante. Com base nas oscilações medidas, a máquina indica a posição do centro de massa do conjunto, e pequenas peças de chumbo são fixadas em lugares específicos da roda até que as vibrações diminuam. Durante o treinamento de sua equipe, a fim de corrigir a posição do centro de massa indicada pela máquina, um mecânico apresenta o esquema a seguir, com cinco possíveis pontos da roda para posicionar uma peça de chumbo.
Em qual ponto deve ser fixada a peça de chumbo para corrigir a posição do centro de massa desse conjunto roda/pneu?
A máquina mostra que o centro de massa (CM) do conjunto saiu do centro e foi para cima e para a direita, entre os pontos 1 e 5.
Uma massa extra "puxa" o centro de massa para perto dela. Para trazer o CM de volta ao centro, o chumbo precisa ser colocado do lado oposto ao deslocamento, na mesma linha que passa pelo centro da roda.
O ponto diametralmente oposto à posição do CM, embaixo e à esquerda, é o 3.
Uma ambulância em alta velocidade com a sirene ligada desloca-se em direção a um radar operado por uma pessoa. O radar emite ondas de rádio com frequência $f_0$ que são refletidas pela dianteira da ambulância, retornando para o detector com frequência $f_r$. A percepção do operador do radar, em relação ao som emitido pela sirene, é de que este se altera à medida que a ambulância se aproxima ou se afasta.
Durante a aproximação, como o operador percebe o som da sirene e qual é a relação entre as frequências $f_r$ e $f_0$ medidas pelo radar?
São dois efeitos Doppler na mesma cena.
A sirene: a ambulância se aproxima do operador, e as ondas sonoras chegam "comprimidas". A frequência percebida é maior: o som parece mais agudo. Isso elimina A e E.
O radar: a onda de rádio vai até a ambulância e volta refletida. Como a ambulância vem ao encontro da onda, ela "recebe" uma frequência maior e, ao refletir, age como uma fonte que se aproxima, aumentando mais uma vez a frequência. Resultado: $f_r>f_0$.
É exatamente assim que o radar mede velocidade: pela diferença entre $f_r$ e $f_0$.
Mirascópio 3D: produtor de ilusão instantânea
O equipamento ilustrado na figura, de dimensões apresentadas no esquema, é composto por dois espelhos côncavos $E_1$ e $E_2$, apoiados um sobre o outro por suas bordas, de tal forma que o vértice de $E_1$ coincide com o foco de $E_2$ e vice-versa. Na abertura circular de $E_2$, é formada uma imagem tridimensional de um objeto posicionado sobre o vértice de $E_1$. Essa imagem é formada a partir dos raios procedentes do objeto, refletidos por $E_2$ e $E_1$, respectivamente, conforme o esquema. Os observadores julgam visualizar o objeto quando estão, de fato, visualizando sua imagem. O efeito só é possível porque as superfícies de ambos os espelhos são de extrema qualidade.
SALZMANN, W. Disponível em: https://wissenstexte.de. Acesso em: 27 jun. 2024 (adaptado).
A natureza da imagem formada e a distância vertical entre cada ponto objeto e seu correspondente ponto imagem são
A imagem do mirascópio é real: os raios refletidos pelos dois espelhos se cruzam de verdade na abertura de cima e formam lá a imagem. Por isso ela parece um objeto sólido flutuando. Isso já elimina D e E.
Agora a distância. Olhando o esquema: o objeto está no fundo, no vértice de $E_1$, e a imagem se forma na abertura de $E_2$, lá em cima. Os raios saem do objeto, batem em $E_2$ e voltam paralelos (o objeto está no foco de $E_2$). Depois batem em $E_1$ e convergem para o foco de $E_1$, que fica no vértice de $E_2$, justamente na abertura.
A distância vertical entre objeto e imagem é a altura total do aparelho:
$3{,}8+3{,}8=7{,}6\text{ cm}$.
A saúde do professor: acústica arquitetônica
Dentre os parâmetros acústicos que afetam a inteligibilidade dos sons emitidos em ambientes fechados, destacam-se o ruído de fundo do ambiente e o decréscimo do nível sonoro com a distância da fonte emissora. Assim, sentar-se no fundo da sala de aula pode prejudicar a aprendizagem dos estudantes, por impedir que eles distingam, com precisão, os sons emitidos, diminuindo a inteligibilidade da fala de seus professores. Considere a situação exemplificada pelo infográfico: à distância de 1 metro, o nível sonoro da fala de um professor é de 60 dB e diminui com a distância. Considere, ainda, que o ruído de fundo nessa sala de aula pode chegar a 45 dB e que, para ser compreendida, o nível sonoro da fala do professor deve estar 5 dB acima desse ruído.
Disponível em: www.ufrrj.br. Acesso em: 2 dez. 2021 (adaptado).
Para um valor máximo do ruído de fundo, a maior distância que um estudante pode estar do professor para que ainda consiga compreender sua fala é mais próxima de
O ruído de fundo pode chegar a $45\text{ dB}$, e a fala precisa estar $5\text{ dB}$ acima disso. Então o aluno precisa ouvir o professor com pelo menos $50\text{ dB}$.
No gráfico, a fala começa em $60\text{ dB}$ a $1\text{ m}$ e vai caindo com a distância. Ela chega a $50\text{ dB}$ por volta de $3\text{ m}$.
Mais longe que isso, a fala fica abaixo de $50\text{ dB}$ e se mistura com o barulho. A maior distância é de cerca de $3{,}0\text{ m}$, ou seja, só as primeiras carteiras.
Aquecedores solares são equipamentos utilizados para o aquecimento de água pelo calor do Sol. São compostos por coletores solares, nos quais ocorre o aquecimento da água, e por um reservatório térmico, em que é armazenada a água quente para ser utilizada posteriormente. A figura ilustra esquematicamente como funciona esse equipamento.
5 dicas de instalação de aquecedor solar. Disponível em: https://installine.com.br. Acesso em: 3 nov. 2023 (adaptado).
O processo pelo qual ocorre transferência de calor dos coletores solares para o reservatório térmico é a
No aquecedor solar, a água esquenta no coletor e vai sozinha para o reservatório. Água quente é menos densa, então sobe; a água fria, mais densa, desce para o coletor para ser aquecida. Forma-se uma circulação contínua, o termossifão.
O calor está sendo levado pelo próprio fluido em movimento, e isso é convecção.
A irradiação acontece em outra etapa, do Sol para o coletor. Do coletor até o reservatório, quem carrega a energia é a água.
Em aeroportos, por razões de segurança, os passageiros devem ter suas bagagens de mão examinadas antes do embarque, passando-as em esteiras para sua inspeção por aparelhos de raios X. Nessas inspeções, os passageiros são orientados a retirar seus computadores portáteis (notebooks ou laptops) de malas, mochilas ou bolsas para passá-los isoladamente pela esteira.
Que explicação física justifica esse procedimento?
A imagem de raios X é uma espécie de "sombra": onde o material é mais denso ou mais grosso, passa menos radiação e a imagem fica escura.
O notebook tem placas, bateria e partes metálicas que barram bastante os raios X. Dentro da mala, ele funciona como uma parede, e tudo o que estiver na frente ou atrás dele fica escondido na mesma mancha escura.
Passando o computador separado, o operador consegue ver o resto da bagagem. As demais alternativas inventam efeitos (desmagnetizar, aquecer, ionizar metais) que não são o motivo do procedimento.
Para os circuitos de maratonas aquáticas realizadas em mares calmos e próximos à praia, é montado um sistema de boias que determinam o trajeto a ser seguido pelos nadadores. Uma das dificuldades desse tipo de circuito é compensar os efeitos da corrente marinha. O diagrama contém o circuito em que deve ser realizada uma volta no sentido anti-horário. As quatro boias estão numeradas de 1 a 4. Existe uma corrente marinha de velocidade $\vec v_c$, cujo módulo é 30 metros por minuto, paralela à praia em toda a área do circuito. Nas arestas mais longas, o nadador precisará nadar na direção apontada pelos vetores $\vec v_n$ dos pontos 1 até 2 e de 3 até 4. Considere que a velocidade do nadador é de 50 metros por minuto, em relação à água, durante todo o circuito.
Nessa situação, em quantos minutos o nadador completará a prova?
O circuito é um retângulo: lados de $800\text{ m}$ perpendiculares à corrente e lados de $400\text{ m}$ na direção da corrente. O nadador faz $50\text{ m/min}$ em relação à água e a corrente, $30\text{ m/min}$.
Lados de 800 m (1→2 e 3→4): para não ser arrastado, o nadador aponta o corpo um pouco contra a corrente, como mostram os vetores $\vec v_n$. Parte do esforço só cancela a corrente, e o que sobra para avançar sai de Pitágoras:
$v=\sqrt{50^2-30^2}=40\text{ m/min}$, e cada lado leva $\dfrac{800}{40}=20\text{ min}$. Os dois juntos: $40\text{ min}$.
Lados de 400 m: no sentido anti-horário, de 2 para 3 o nadador vai contra a corrente ($50-30=20\text{ m/min}$, $20\text{ min}$) e de 4 para 1 vai a favor ($50+30=80\text{ m/min}$, $5\text{ min}$).
Total: $40+20+5=65\text{ min}$.
Na tirinha, Calvin se divertia em um balanço antes de soltar-se dele e cair ao chão. Em sua fala, ele demonstra ter imaginado que permaneceria em movimento circular. Porém, a força gravitacional, que permanece atuando no garoto, modifica a direção de sua velocidade, fazendo com que ele chegue ao chão da maneira ilustrada no último quadrinho.
WATTERSON, B. Disponível em: https://tiras-do-calvin.tumblr.com. Acesso em: 19 nov. 2021 (adaptado).
Qual vetor representa a força resultante exercida pelo chão sobre Calvin no exato momento em que ele toca o chão?
Quando Calvin chega ao chão, ele está caindo para baixo e se deslocando para a esquerda (é para lá que ele voou do balanço).
O chão precisa parar esse movimento. A força resultante do chão sobre ele tem, então, duas partes:
• uma parte para cima (a normal), freando a queda;
• uma parte para a direita (o atrito), freando o deslocamento para a esquerda.
Somando as duas, a força resultante do chão aponta para cima e para a direita, contrária à velocidade com que ele chega. É o vetor A.
A tirinha ilustra esquimós dentro de um iglu, habitação de formato hemisférico construída durante o inverno a partir de neve ou blocos de gelo. Essa estrutura de construção se justifica pelo fato de esse povo habitar as regiões mais setentrionais da Groenlândia, Canadá e Alasca.
LAERTE. Disponível em: https://artedafisicapibid.blogspot.com. Acesso em: 4 dez. 2021 (adaptado).
Na tirinha, a geladeira é necessária para fazer gelo porque
A graça da tirinha está numa ideia que parece absurda: por que alguém precisa de geladeira dentro de uma casa de gelo?
A resposta é que o iglu é um ótimo isolante. A neve compacta tem muito ar aprisionado e conduz mal o calor, e o calor do corpo das pessoas (e de alguma lamparina) fica retido lá dentro. Mesmo com o frio de dezenas de graus negativos do lado de fora, o interior do iglu fica acima de $0\ ^\circ\text{C}$, a temperatura de solidificação da água.
Então a água deixada lá dentro não congela, e para fazer gelo continua sendo preciso uma geladeira.
As placas que indicam saída de emergência brilham no escuro, pois apresentam substâncias que fosforecem na cor amarelo-esverdeada após exposição à luz ambiente, conforme a figura.
Esse fenômeno ocorre pela presença do sulfeto de zinco (ZnS), dopado com prata ou cobre, na superfície da placa.
Zinc Sulphide Phosphorescence. Disponível em: https://physicsopenlab.org. Acesso em: 8 nov. 2023 (adaptado).
O aparecimento do brilho nessas condições ocorre como consequência de
A placa "guarda" a luz ambiente e a devolve aos poucos no escuro. Isso é fosforescência.
Por dentro, o que acontece é o seguinte: a luz que ilumina a placa excita elétrons do material, que saltam para níveis de energia mais altos. Nesse material, eles demoram a voltar. Quando voltam, liberam a diferença de energia como luz verde-amarelada. São transições eletrônicas entre níveis de energia.
Não é reflexão, porque reflexão acaba no instante em que a luz se apaga. E não envolve o núcleo, então não há reação nuclear.
Em um experimento de laboratório, duas barras metálicas, A e B, são carregadas com cargas opostas e imersas em óleo. Farelo de milho é jogado sobre o óleo e, após um certo tempo, o farelo assume o formato das linhas de campo elétrico entre as barras. A figura representa a vista superior desse experimento.
ALMEIDA, M. A. T. Introdução às ciências físicas 2 — volume 4: módulo 4. Rio de Janeiro: Fundação CECIERJ, 2007 (adaptado).
Ao repetir o experimento colocando um cilindro metálico oco entre as placas, o esquema que representa o formato das linhas de campo assumido pelo farelo é:
Um condutor oco dentro de um campo elétrico faz duas coisas.
1. Suas cargas se rearranjam (indução): a face voltada para a placa positiva fica negativa, e a outra fica positiva. Essas cargas cancelam o campo lá dentro: na parte oca, o campo é nulo. É a blindagem eletrostática.
2. Do lado de fora, as linhas de campo chegam e saem do cilindro perpendiculares à superfície, porque a superfície de um condutor em equilíbrio é equipotencial.
O farelo, então, desenha linhas que se curvam para encontrar o cilindro de frente e deixa o interior vazio. É o esquema E. Em A, as linhas atravessam o cilindro como se ele não existisse, e isso não acontece com um condutor.
Placas solares comuns dependem de dias ensolarados para gerar energia. Mas podemos gerar eletricidade com a ajuda de gotas de chuva, revestindo placas solares com uma fina camada de grafeno. Os íons dissociados a partir da água da chuva ($A^{m+}$ e $B^{n-}$) tornam a combinação grafeno e água da chuva um par perfeito para geração de energia. O processo requer apenas uma camada de grafeno para que grande quantidade de elétrons ($e^-$) se movimente ao longo da superfície.
TANG, Q. et al. A Solar Cell that is Triggered by Sun and Rain. Angewandte Chemie International Edition, n. 55, 2016 (adaptado).
Ao produzir eletricidade em dias chuvosos, o grafeno
O esquema mostra os cátions ($A^{m+}$) da água da chuva de um lado e os elétrons do grafeno do outro. Cargas opostas se atraem: os cátions se acumulam sobre o grafeno e prendem ali uma camada de elétrons.
Essa separação de cargas, positivas na água e negativas no grafeno, funciona como um pequeno capacitor. Onde há cargas separadas, há diferença de potencial, e é ela que movimenta os elétrons e gera corrente.
Não há reação química aqui: o grafeno não oxida os cátions nem forma composto com eles. A interação é só a atração elétrica entre cargas opostas.
Um estudante comprou uma cafeteira elétrica de 700 W de potência e com capacidade de 0,5 L de água (500 g). Enquanto o café estava em preparação na capacidade máxima da cafeteira, ele marcou que demorou 3 minutos para a cafeteira ferver toda a água (100 °C) a partir da temperatura ambiente de 20 °C. Em seguida, para avaliar a eficiência da cafeteira, ele calculou esse tempo desprezando quaisquer perdas energéticas. É necessária 1 cal (4,2 J) para elevar em 1 °C a temperatura de 1 grama de água.
Qual a eficiência energética calculada pelo estudante?
Esta questão foi anulada pelo INEP. Vale entender o porquê, porque é um bom exercício de conferir resultados.
Energia para ferver a água: $Q=mc\Delta T=500\cdot1\cdot80=40\,000\text{ cal}=168\,000\text{ J}$.
Energia que a cafeteira entregou em 3 minutos: $E=P\,t=700\cdot180=126\,000\text{ J}$.
A água teria recebido mais energia do que a cafeteira forneceu: a "eficiência" daria $\dfrac{168\,000}{126\,000}\approx133\%$, o que é impossível. Os dados do enunciado são incompatíveis, e nenhuma alternativa pode estar certa.
O diagrama P-V a seguir representa o ciclo de Otto para um motor de combustão interna, como os motores a gasolina ou a etanol, utilizados nos automóveis.
As etapas representadas no diagrama estão descritas no quadro.
| Etapa | Processo | Descrição |
|---|---|---|
| I | 0 a 1 | Admissão isobárica da mistura ar-combustível no cilindro do motor. |
| II | 1 a 2 | Compressão adiabática da mistura. |
| III | 2 a 3 | Introdução de energia na forma de calor da combustão. |
| IV | 3 a 4 | Expansão adiabática. |
| V | 4 a 1 | Liberação de energia na forma de calor. |
| VI | 1 a 0 | Liberação dos gases resultantes da combustão. |
Disponível em: www.mspc.eng.br. Acesso em: 24 fev. 2013 (adaptado).
A transformação da energia térmica em energia útil ocorre na etapa
Energia útil, num motor, é trabalho: o gás empurrando o pistão. Isso acontece quando o gás se expande.
Olhe as etapas. Na III (2→3) a combustão coloca energia no gás, mas o volume não muda, e sem variação de volume não há trabalho. É logo depois, na IV (3→4), que o gás quente e em alta pressão se expande, empurra o pistão e transforma energia térmica em trabalho. É o "tempo de força" do motor.
A etapa II é compressão: nela o motor gasta trabalho, em vez de produzir.
O LED é um dispositivo eletrônico que conduz corrente elétrica em um único sentido, sendo caracterizado por uma tensão e uma corrente máxima de funcionamento, $I_{máx}$. Um LED acende apenas se a corrente que o percorre está no sentido permitido e se a diferença de potencial à qual está submetido é igual ou superior à sua tensão de funcionamento. A figura ilustra o símbolo do LED usado na representação de circuitos.
Um estudante de física analisa as propriedades do LED em um circuito simples de corrente contínua. Ele dispõe dos seguintes materiais: uma bateria ideal de 4,5 V; dois LEDs de tensão 3,0 V e $I_{máx}=1{,}0\,\text{mA}$ cada; e dois resistores de 1,5 kΩ cada.
O circuito que o estudante pode montar, para que ambos os LEDs fiquem acesos e cada um seja percorrido por $I_{máx}$, é
Cada LED precisa de $3{,}0\text{ V}$ e de $1{,}0\text{ mA}$. A bateria tem $4{,}5\text{ V}$, então sobram $1{,}5\text{ V}$ que precisam ficar num resistor em série com o LED:
$R=\dfrac{1{,}5\text{ V}}{1{,}0\text{ mA}}=1{,}5\text{ k}\Omega$, que é exatamente o resistor disponível.
Como são dois LEDs, montamos dois ramos iguais (resistor + LED) e ligamos os dois em paralelo na bateria. Cada ramo recebe os $4{,}5\text{ V}$ inteiros e funciona como se o outro não existisse.
Um resistor só para os dois LEDs em paralelo (como em A) não serve: por ele passariam $2\text{ mA}$, caindo $3\text{ V}$, e sobraria só $1{,}5\text{ V}$ para os LEDs, que nem acenderiam. O circuito certo é o B.
Uma caixa decorativa utiliza duas pequenas lâmpadas, $L_1$ (6 V – 9 W) e $L_2$ (12 V – 18 W), ligadas em série a uma bateria de tensão $V_{QR}$. Um fio resistivo QR, de 48 centímetros, está ligado em paralelo à bateria. Cinco pontos, $A$, $B$, $C$, $D$ e $E$, dividem o fio QR em seis segmentos de comprimentos iguais. O circuito também tem um amperímetro com dois terminais. Um dos terminais ($P$) está ligado ao fio entre as duas lâmpadas. O outro terminal ($S$) está livre e será ligado ao QR. Dependendo do ponto em que esse terminal livre for conectado, ocorrerá a mudança na tensão à qual as lâmpadas são submetidas. Os demais fios têm resistências elétricas desprezíveis. A figura ilustra esse circuito.
Em qual desses pontos o amperímetro deve ser conectado para que as lâmpadas acendam exatamente segundo as especificações de tensão e potência elétricas fornecidas?
Primeiro, as correntes nominais: $L_1$ precisa de $\dfrac{9}{6}=1{,}5\text{ A}$ e $L_2$ precisa de $\dfrac{18}{12}=1{,}5\text{ A}$. A mesma corrente! Então as duas podem funcionar em série, com $6\text{ V}$ em $L_1$ e $12\text{ V}$ em $L_2$, somando $18\text{ V}$.
Nessa situação, o ponto P (entre as lâmpadas) fica $6\text{ V}$ "abaixo" do lado de $L_1$, ou seja, a $\dfrac{6}{18}=\dfrac13$ da tensão total.
O fio QR, ligado à mesma bateria, funciona como uma régua de tensão: o potencial cai uniformemente ao longo dele. O ponto que está a $\dfrac13$ do caminho, a partir de Q, fica a $\dfrac13\cdot48=16\text{ cm}$ de Q, e esse é o ponto B.
Ligando o amperímetro em B, P e B ficam no mesmo potencial, não passa corrente pelo amperímetro e as lâmpadas funcionam exatamente como especificado. Em qualquer outro ponto, o ramo do amperímetro desviaria corrente e desequilibraria as lâmpadas.