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PISM 1 · 2021 — Questões de Física comentadas — Método TEF

Universidade Federal de Juiz de Fora — 2º Dia

PISM 2021 · Módulo 1 · 2º dia — questões 11–15 objetivas e 01–02 discursivas. Enunciados e figuras conferidos nos originais da UFJF.

11
Mecânica — Cinemática — Aceleração média e conversão de unidades

Cientistas da Universidade de Cambridge publicaram um trabalho na prestigiosa revista Science (Science 341, 1254-1256 (2013)) mostrando que pequenos insetos da espécie Issuscoleoptratus utilizam engrenagens para a propulsão, como mostrado na figura.

Fonte da figura: https://www.cam.ac.uk/research/news/functioning-mechanical-gears-seen-in-nature-for-the-first-time

Com isso, os pequenos insetos atingem a velocidade de aproximadamente 5m/s em um intervalo de tempo de 1 ms, isto é, $10^{-3}\,\mathrm s$. Supondo $g=10\,\mathrm{m/s^2}$, a aceleração média do inseto em termos da aceleração da gravidade é dada por

Aceleração média e conversão de unidades — figura original da questão 11, módulo 1
A)5000g.
B)500g.
C)50g.
D)5g.
E)0,5g.
Alternativa correta: B
Resolução

Partindo do repouso, $a_m=\Delta v/\Delta t=5/10^{-3}=5000\,\mathrm{m/s^2}$. Comparando com $g=10\,\mathrm{m/s^2}$, resulta $a_m/g=500$, ou seja, $a_m=500g$.

Resposta: B

12
Mecânica — Cinemática — Velocidade e aceleração no movimento circular

A primeira lei de Kepler do movimento planetário afirma que a órbita de um planeta ao redor do Sol é dada por uma elipse, com o Sol em um dos focos. Com boa aproximação, podemos supor que a Terra executa um movimento circular uniforme, com o Sol no centro da circunferência. Considere um sistema de coordenadas cuja origem está no centro do Sol (que aqui pode ser considerado um referencial inercial), de modo que o movimento de translação da Terra se dá no sentido anti-horário, como indicado pelas setas na órbita tracejada da figura. No instante em que a Terra encontra-se em um ponto sobre o eixo x, podemos afirmar corretamente sobre a direção e o sentido da velocidade e aceleração da Terra:

Velocidade e aceleração no movimento circular — figura original da questão 12, módulo 1
A)Tanto a velocidade quanto a aceleração têm a direção do eixo y e apontam no sentido positivo do eixo y.
B)Tanto a velocidade quanto a aceleração têm a direção do eixo x e apontam no sentido negativo do eixo x.
C)A velocidade tem a direção do eixo y e aponta no sentido negativo do eixo y e a aceleração tem a direção do eixo x e aponta no sentido positivo do eixo x.
D)A velocidade tem a direção do eixo y e aponta no sentido positivo do eixo y e a aceleração tem a direção do eixo x e aponta no sentido negativo do eixo x.
E)A velocidade tem a direção do eixo y e aponta no sentido positivo do eixo y e a aceleração tem a direção do eixo x e aponta no sentido positivo do eixo x.
Alternativa correta: D
Resolução

Na posição desenhada, a Terra está no semieixo +x. O movimento anti-horário dá velocidade tangente para +y. A aceleração centrípeta aponta para o Sol, em −x. Foi usado o gabarito corrigido, que substitui a publicação equivocada das questões 12 e 13.

Resposta: D

13
Mecânica — Quantidade de movimento — Colisão frontal elástica

Um corpo de 1,0 kg desliza sem atrito sobre uma superfície horizontal a uma velocidade constante de magnitude igual a 60 cm/s. Ao se chocar frontalmente com outro corpo que estava parado no caminho, ele para. Se considerarmos que o choque foi totalmente elástico, a massa do corpo que estava parado e o módulo da velocidade que ele adquire logo depois da colisão são, respectivamente,

A)0,7 kg e 72 cm/s.
B)2,0 kg e 30 cm/s.
C)0,6 kg e 100 cm/s.
D)2,0 kg e 42 cm/s.
E)1,0 kg e 60 cm/s.
Alternativa correta: E
Resolução

Conservando o momento linear, $m_1v=m_2u$. Conservando a energia cinética, $m_1v^2=m_2u^2$. Dividindo as equações, $u=v=60\,\mathrm{cm/s}$ e então $m_2=m_1=1,0\,\mathrm{kg}$. O primeiro corpo transfere sua velocidade ao segundo.

Resposta: E

14
Mecânica — Energia — Trabalho em percurso fechado

Um jardineiro, andando a uma velocidade de módulo constante de 4,0 km/h, aplica uma força horizontal de magnitude constante ao cortador de grama, de modo que essa força tem o mesmo sentido da sua velocidade instantânea. Sabendo que o módulo dessa força é 20 N e que o jardineiro percorreu uma trajetória fechada qualquer no gramado plano, retornando ao seu ponto de partida num intervalo de 6,0 minutos, marque a única opção inteiramente correta, tomando-se o solo como sistema de referência:

Trabalho em percurso fechado — figura original da questão 14, módulo 1
A)O trabalho que o jardineiro realiza sobre o cortador é nulo e a força que ele exerce sobre o cortador é conservativa.
B)O trabalho que o jardineiro realiza sobre o cortador é igual a 4,0 kJ e a força que ele exerce sobre o cortador não é conservativa.
C)O trabalho que o jardineiro realiza sobre o cortador é igual 8,0 kJ e a força que ele exerce sobre o cortador não é conservativa.
D)O trabalho que o jardineiro realiza sobre o cortador é igual a 4,0 kJ e a força que ele exerce sobre o cortador é conservativa.
E)O trabalho que o jardineiro realiza sobre o cortador é igual 8,0 kJ e a força que ele exerce sobre o cortador é conservativa.
Alternativa correta: C
Resolução

A força permanece tangente e no sentido do movimento. Em 6 min = 0,10 h, o percurso é $s=4,0(0,10)=0,40\,\mathrm{km}=400\,\mathrm m$. Portanto, $W=Fs=20(400)=8000\,\mathrm J$. Embora o deslocamento final seja zero, o trabalho dessa força é positivo; ela não é conservativa. O vetor força muda de direção com o percurso.

Resposta: C

15
Mecânica — Energia — Teorema trabalho-energia e gráfico

A partir do repouso, um corpo começa a se mover em linha reta sob a ação exclusiva de uma força constante de módulo 15 N. O movimento termina quando o corpo atinge um obstáculo, depois de percorrer 100 m. Considere W o trabalho dessa força sobre o corpo e K a energia cinética do mesmo corpo. Escolha a opção que mostra o melhor esboço do gráfico W × K, com a localização mais adequada do ponto P, que corresponde ao instante t= T/2, sendo a duração total do movimento dada por T.

A)Gráfico A: trabalho em função da energia cinética
B)Gráfico B: trabalho em função da energia cinética
C)Gráfico C: trabalho em função da energia cinética
D)Gráfico D: trabalho em função da energia cinética
E)Gráfico E: trabalho em função da energia cinética
Alternativa correta: A
Resolução

Pelo teorema da energia cinética e pelo repouso inicial, $W=K$. O gráfico é uma reta pela origem. No fim, $W=15(100)=1500\,\mathrm J$. Como $s\propto t^2$, em $T/2$ o deslocamento e a energia são um quarto dos valores finais: $W=K=375\,\mathrm J$. O ponto P deve estar abaixo da metade da reta, como em A.

Resposta: A

1
Mecânica — Cinemática — Queda livre e distância no último segundo
Discursiva

Um pequeno bloco de 2,0 kg é solto do repouso de uma altura de 20 m do solo, realizando assim um movimento de queda livre em que o atrito com o ar pode ser desprezado. Considere g = 10 m/s².

A) Determine o peso do bloco.

B) Calcule o tempo que o bloco leva para atingir o solo.

C) Calcule a distância que o bloco percorre durante o último segundo da sua queda.

Resolução

A) $P=mg=2,0(10)=20\,\mathrm N$.

B) A queda obedece $h=gt^2/2$, portanto $t=\sqrt{2(20)/10}=2,0\,\mathrm s$.

C) No primeiro segundo, o bloco cai $s(1)=10(1)^2/2=5\,\mathrm m$. O último segundo ocorre entre t = 1 s e t = 2 s: $20-5=15\,\mathrm m$.

Resposta: A) 20 N. B) 2,0 s. C) 15 m.

2
Mecânica — Energia — Conservação e dissipação por atrito
Discursiva

Um bloco de massa M=1kg é solto, partindo do repouso, do alto de um plano inclinado com altura H=5m, como indica a figura. Não há atrito entre o plano e o bloco. Ao término da descida, o bloco percorre uma distância D na horizontal e há atrito. Neste caso, o coeficiente de atrito cinético entre bloco e piso é dado por μ=0,5 e a partir daí o piso fica liso novamente, de forma que o atrito pode ser desprezado. Sabendo que o bloco perde 75% de sua energia com dissipação por atrito e que g=10m/s2, determine

Conservação e dissipação por atrito — figura original da questão 2, módulo 1

A) a velocidade do bloco na base da rampa.

B) a velocidade do bloco ao término do trajeto com atrito.

C) a distância D percorrida pelo bloco no piso com atrito.

Resolução

A) Sem atrito na rampa, $MgH=Mv^2/2$, logo $v=\sqrt{2(10)(5)}=10\,\mathrm{m/s}$.

B) A energia inicial na horizontal é 50 J. Após dissipar 75%, restam 12,5 J: $Mv_f^2/2=12,5$, então $v_f=5,0\,\mathrm{m/s}$.

C) O atrito vale $F_a=\mu Mg=0,5(1)(10)=5\,\mathrm N$. A dissipação de 37,5 J fornece $D=37,5/5=7,5\,\mathrm m$.

Resposta: A) 10 m/s. B) 5,0 m/s. C) 7,5 m.

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