1ª Etapa do triênio 2021–2023 · Física (Q36–40) — resolução comentada Método TEF.
Dados utilizados
Valores fornecidos nos enunciados das questões de Física:
1 polegada $\approx25\times10^{-3}\text{ m}$
$1\text{ atm}\approx1\times10^5\text{ Pa}$
densidade da água: $1.000\text{ kg/m}^3$
$1\text{ CV}=736\text{ W}$
Q36
Dinâmica — Quantidade de Movimento no Arremesso de Peso
Darlan Romani ficou em 4º lugar entre os 12 participantes da final da prova de arremesso de peso nas Olimpíadas de Tóquio 2020, no Japão.
A melhor marca do atleta catarinense foi de $21{,}88\text{ m}$, alcançada na primeira tentativa. Sabendo que foi utilizada uma esfera de aproximadamente $7{,}2\times10^3\text{ g}$ de massa e que o tempo de deslocamento da esfera foi de $2\text{ s}$, saindo de sua mão até atingir a marca de $21{,}88\text{ m}$, determine a quantidade de movimento do lançamento de Darlan Romani.
Hidrostática — Pressão Acrescentada ao Pneu de Bicicleta
Tuka é praticante de ciclismo. Certo dia, parou para calibrar o pneu traseiro de sua bicicleta, no qual estava indicada como pressão ideal $40$ libras.
Quando colocou o bico da mangueira de ar na válvula do pneu, observou que o painel digital do aparelho marcava que ainda havia $15$ libras no pneu. Quando a pressão atingiu $40$ libras, o aparelho apitou, e Tuka retirou a mangueira.
Qual foi a pressão, em atmosferas, que Tuka acrescentou ao pneu durante o procedimento?
Considere: uma libra corresponde à pressão exercida pelo peso de uma massa de $0{,}5\text{ kg}$ sobre uma área de uma polegada quadrada; $1$ polegada $\approx25\times10^{-3}\text{ m}$; $1\text{ atm}\approx1\times10^5\text{ Pa}$; $1\text{ Pa}=1\text{ N/m}^2$.
Na figura apresentada, tem-se o perfil de uma barragem construída com terra, semelhante às barragens de rejeitos de mineradoras.
Perfil da barragem: coluna de água de 150 m ao lado do talude de terra.
Determine a pressão exercida pela água no fundo da barragem, sabendo que: a densidade da água é $1.000\text{ kg/m}^3$; a aceleração da gravidade é $10\text{ m/s}^2$; a pressão atmosférica local é $1\text{ atm}=10^5\text{ Pa}$.
A pressão no fundo da coluna de água é a soma da pressão atmosférica com a pressão hidrostática exercida pela coluna de água de altura $h=150\text{ m}$ (dado indicado na figura):
Convertendo para atmosferas ($1\text{ atm}=10^5\text{ Pa}$):
$P=\dfrac{1{,}6\times10^6}{10^5}=16\text{ atm}$.
Alternativa correta: B
Q39
Cinemática — Frequência de Rotação da Roda de uma Bicicleta
Em uma volta de bicicleta pelo campus de Campo Grande da UFMS, Zequinha, aluno do curso de Física, verifica que manteve velocidade constante durante todo o percurso.
Sabe-se que ele demorou $1\text{ h}$ para percorrer $10\text{ km}$ e que o pneu de sua bicicleta tem raio de $0{,}45\text{ m}$.
Ao chegar em casa, ele calculou a frequência de rotação do pneu da bicicleta, encontrando o valor de: (Considere $\pi=3{,}1$.)
Dinâmica Rotacional — Comparação de Torque entre Motores
Pedro, aluno do curso de Engenharia Mecânica da UFMS, desenvolveu dois protótipos de automodelismo, carros de controle remoto: um movido a etanol e outro a diesel.
Na apresentação do projeto, o acadêmico forneceu as seguintes informações: o modelo movido a etanol produz $2\text{ CV}$ de potência a $600\text{ rpm}$; o modelo movido a diesel produz $4\text{ CV}$ de potência a $450\text{ rpm}$.
Analise as informações e assinale a alternativa correta. Considere: $P=2\pi f\tau$, $1\text{ CV}=736\text{ W}$ e $\pi=3$.
a)O automodelo movido a etanol tem torque superior ao do modelo a diesel.
b)O automodelo movido a diesel tem torque aproximadamente $10\%$ maior que o do modelo movido a etanol.
c)O automodelo movido a etanol tem torque aproximadamente $100\%$ maior que o do modelo movido a diesel.
d)O torque do automodelo movido a diesel supera o torque do automodelo movido a etanol em mais de $250\%$.
e)Os automodelos têm o mesmo torque, pois operam em diferentes rotações por minuto.
ou seja, o torque do diesel corresponde a cerca de $267\%$ do torque do etanol — mais de $250\%$.
Alternativa correta: D
Dados utilizados
Esta prova não trouxe uma tabela de constantes comum às questões: cada questão de Física (Q36–40) já contém, no próprio enunciado, os valores numéricos necessários para a resolução.
Q36
Termologia — Paredes Espelhadas da Garrafa Térmica
Maycon, ao preparar seu chimarrão, colocou a água aquecida em uma garrafa térmica. Após um longo período, sua filha percebeu que a água ainda estava quente.
Curiosa, ela pediu ao pai que explicasse o funcionamento das paredes espelhadas do recipiente. A explicação correta é que as paredes duplamente espelhadas são utilizadas para minimizar a perda de calor por:
Na garrafa térmica, a câmara de vácuo entre as paredes já elimina praticamente toda a perda de calor por condução e convecção (que dependem de um meio material). O que resta é a perda por radiação, já que a radiação térmica se propaga mesmo no vácuo. Por isso as paredes internas são espelhadas: a superfície espelhada reflete de volta a radiação infravermelha emitida pelo líquido quente, minimizando essa forma de perda de calor.
Alternativa correta: A
Q37
Ondulatória — Propagação do Som do Ar para a Água
Pedro e Maria estão em uma piscina conversando. Ao mergulharem, Maria tenta continuar conversando com Pedro, mas sem sucesso.
Sobre a onda sonora produzida por Maria, é correto afirmar que, ao passar do ar para a água:
a)o comprimento de onda, a frequência e a velocidade diminuíram.
b)o comprimento de onda, a frequência e a velocidade aumentaram.
c)o comprimento de onda, a frequência e a velocidade permaneceram constantes.
d)o comprimento de onda diminuiu, a frequência permaneceu constante e a velocidade diminuiu.
e)o comprimento de onda aumentou, a frequência permaneceu constante e a velocidade aumentou.
Ao mudar de meio, a frequência de uma onda sonora é determinada pela fonte e não se altera. Já a velocidade do som depende do meio de propagação: o som se propaga bem mais rápido na água do que no ar (a água é muito menos compressível e tem maior densidade de ligação entre as moléculas). Como $v=\lambda f$ e a frequência permanece constante enquanto a velocidade aumenta, o comprimento de onda também aumenta.
Alternativa correta: E
Q38
Óptica — Anomalias da Visão
O olho humano pode apresentar algumas anormalidades que levam a dificuldades de visão, como miopia, hipermetropia, estrabismo, presbiopia e astigmatismo.
Assinale a alternativa correta.
a)A miopia consiste em um alongamento do globo ocular, e sua correção é feita com lente convergente.
b)A hipermetropia consiste em um encurtamento do globo ocular, e sua correção é feita com lente divergente.
c)O estrabismo consiste no desvio do eixo óptico do globo ocular, e sua correção pode ser feita com lentes prismáticas.
d)A presbiopia ocorre com o envelhecimento, ocasionando o relaxamento dos músculos, e sua correção é feita com lentes monofocais.
e)O astigmatismo ocorre porque as superfícies do globo ocular apresentam diferentes raios de curvatura, e sua correção é feita com lente esférica.
O estrabismo é o desvio do eixo óptico de um ou ambos os olhos em relação ao ponto de fixação, e uma das formas de correção óptica é o uso de lentes prismáticas, que desviam a luz para compensar esse desalinhamento.
As demais alternativas trocam os elementos: a miopia (alongamento do globo ocular) é corrigida com lente divergente, não convergente (A errada); a hipermetropia (encurtamento do globo ocular) é corrigida com lente convergente, não divergente (B errada); a presbiopia é a perda de elasticidade do cristalino com a idade, geralmente corrigida com lentes multifocais, não monofocais (D errada); e o astigmatismo, causado por curvaturas irregulares da córnea, é corrigido com lentes cilíndricas, não esféricas (E errada).
Alternativa correta: C
Q39
Termodinâmica — Rendimento de uma Máquina Térmica
No ano de 2014, a crise hídrica provocada pela escassez de chuvas na região Centro-Oeste levou o governo federal a acionar usinas termelétricas, devido aos baixos níveis dos reservatórios das hidrelétricas.
Durante uma visita técnica a uma usina termelétrica, um técnico apresentou uma máquina térmica que: executa 20 ciclos por segundo; retira $1.500\text{ J}$ da fonte quente em cada ciclo; cede $900\text{ J}$ à fonte fria em cada ciclo; opera com a fonte fria à temperatura de $285\text{ K}$.
Considerando a máquina ideal, determine o rendimento e a temperatura da fonte quente.
a)Rendimento de $60\%$ e temperatura da fonte quente de $525\text{ K}$.
b)Rendimento de $55\%$ e temperatura da fonte quente de $500\text{ K}$.
c)Rendimento de $50\%$ e temperatura da fonte quente de $495\text{ K}$.
d)Rendimento de $45\%$ e temperatura da fonte quente de $485\text{ K}$.
e)Rendimento de $40\%$ e temperatura da fonte quente de $475\text{ K}$.
Óptica e Acústica — Espelhos Planos e Reflexão/Absorção Sonora
Ao participar de uma feira de ciências, Mariana visitou duas salas: uma sobre experimentos com espelhos e outra sobre o estudo do som.
Na primeira sala, dois espelhos planos posicionados com certa angulação formavam 7 imagens. Na segunda, Mariana percebeu que: diante de uma parede lisa e rígida, sua voz era refletida; diante de uma parede rugosa e revestida de espuma, o som era absorvido.
A explicação correta para os fenômenos observados é:
a)Os espelhos foram posicionados com ângulo de $45^\circ$. A parede lisa e rígida reflete o som, enquanto a parede com espuma o absorve. Esses fenômenos pertencem ao estudo da acústica.
b)Os espelhos foram posicionados com ângulo de $30^\circ$. A parede lisa reflete o som e a parede com espuma o absorve. Esses fenômenos são denominados difração.
c)Os espelhos foram posicionados com ângulo de $60^\circ$. A parede lisa reflete o som e a parede com espuma o absorve. Esses fenômenos são denominados efeito Doppler.
d)Os espelhos foram posicionados com ângulo de $45^\circ$. A reflexão e a absorção do som são denominadas difração e efeito Doppler.
e)Os espelhos foram posicionados com ângulo de $60^\circ$. A reflexão e a absorção do som são denominadas refração.
Quanto ao som: a parede lisa e rígida reflete a onda sonora (reflexão), enquanto a parede rugosa e com espuma absorve a energia sonora, dissipando-a (absorção acústica) em vez de refleti-la. Ambos os fenômenos — reflexão e absorção do som — são estudados dentro da acústica, ramo da Física que trata do comportamento das ondas sonoras.
Alternativa correta: A
Dados utilizados
Valores fornecidos nos enunciados das questões de Física:
aceleração da gravidade: $g=10\text{ m/s}^2$
permeabilidade magnética do vácuo: $\mu_0=4\pi\times10^{-7}\text{ T·m/A}$
Q36
Eletromagnetismo — Força Magnética em Espira Suspensa
Uma espira condutora, quadrada e rígida, de lado $L=10\text{ cm}$ e massa $m=20\text{ g}$, está suspensa por dois fios isolantes e de massa desprezível, conforme a figura.
Espira suspensa: lado superior imerso no campo magnético B, corrente anti-horária.
O lado horizontal superior da espira está imerso em um campo magnético uniforme de intensidade $B$, cuja direção é perpendicular ao plano da espira, com o sentido apresentado na figura.
Se a espira é percorrida por uma corrente elétrica de intensidade $I=2\text{ A}$ e sentido anti-horário, determine a intensidade do campo magnético $B$ necessária para anular as tensões nos fios. Considere o módulo da aceleração da gravidade local igual a $10\text{ m/s}^2$.
Para que a tensão nos fios se anule, a força magnética sobre o lado superior da espira (o único imerso no campo) deve ser vertical, para cima, e de módulo igual ao peso da espira, sustentando-a sem a ajuda dos fios.
A força magnética sobre um segmento retilíneo de corrente é $F=B\,I\,L$. Igualando ao peso:
Eletromagnetismo — Campo Magnético no Centro de uma Espira Circular
Uma espira condutora circular com $N=10$ voltas, diâmetro $D=20\text{ cm}$ e resistência elétrica $R_{espira}=10\ \Omega$ está conectada em série a um resistor $R=10\ \Omega$ e a uma fonte de alimentação de $20\text{ V}$, como mostra a figura.
Adotando $\mu_0=4\pi\times10^{-7}\text{ T·m/A}$ e $\pi=3$, determine a corrente elétrica $I$ que percorre o circuito e o valor da intensidade do campo magnético $B$ no centro da espira.
Eletrostática — Levitação Eletrostática de um Corpo Carregado
No laboratório de Física da UFMS, o professor Emmett Brown está realizando uma experiência de levitação com um corpo de massa $30\text{ g}$, que fica levitando sobre uma placa carregada uniformemente e que produz um campo elétrico uniforme ascendente em torno do corpo.
Se a aceleração da gravidade local é $10\text{ m/s}^2$, o sinal da carga elétrica e a força elétrica que atuam sobre o corpo são, respectivamente:
Para o corpo levitar em equilíbrio, a força elétrica deve ser vertical, para cima, e de módulo igual ao peso do corpo. Como o campo elétrico é ascendente (para cima) e a força elétrica precisa apontar no mesmo sentido do campo, a carga do corpo deve ser positiva (em uma carga positiva, $\vec F=q\vec E$ tem o mesmo sentido de $\vec E$).
O módulo da força elétrica, igual ao peso:
$F=mg=0{,}030\cdot10=0{,}3\text{ N}$.
Alternativa correta: A
Q40
Eletromagnetismo — Transformador Elevador de Tensão
Carlos comprou um videogame retrô que deve ser ligado a uma tensão de $220\text{ V}$. No entanto, em sua residência, a tensão elétrica disponível é de $110\text{ V}$.
Para resolver o problema, ele deve comprar um transformador:
a)redutor de tensão, em que o número de espiras no primário é o dobro do número de espiras no secundário.
b)redutor de tensão, em que o número de espiras no primário é igual ao número de espiras no secundário.
c)redutor de tensão, em que o número de espiras no primário é a metade do número de espiras no secundário.
d)elevador de tensão, em que o número de espiras no primário é a metade do número de espiras no secundário.
e)elevador de tensão, em que o número de espiras no primário é o dobro do número de espiras no secundário.
Como a tensão disponível ($110\text{ V}$) é menor do que a exigida pelo videogame ($220\text{ V}$), Carlos precisa de um transformador elevador de tensão.
A relação de transformação é $\dfrac{V_{sec}}{V_{prim}}=\dfrac{N_{sec}}{N_{prim}}$. Como $V_{sec}/V_{prim}=220/110=2$, o número de espiras no secundário deve ser o dobro do número de espiras no primário — ou seja, o primário tem a metade das espiras do secundário.
