UNESPAR 2017 — Questões de Física comentadas — Método TEF

O enunciado pede a distância horizontal percorrida pelo dardo em 4 s. Num lançamento oblíquo, desprezando a resistência do ar, o movimento horizontal é uniforme: a única componente da velocidade que importa para o alcance horizontal é a componente \(v_x\), que não muda durante o voo.

$$v_x=v_0\cos45^\circ=25\cdot0{,}7=17{,}5\ \text{m/s}$$

Com velocidade horizontal constante:

$$x=v_x\,t=17{,}5\cdot4=70\ \text{m}$$

Erro comum: usar os 25 m/s inteiros (\(25\cdot4=100\ \text{m}\)). Essa conta ignora que apenas a parte da velocidade na direção horizontal desloca o dardo para a frente; o restante da velocidade está na vertical.

O fenômeno é de inércia: pela 1ª lei de Newton, um corpo tende a manter seu estado de movimento enquanto nenhuma força resultante atua sobre ele. Dentro do carro a 80 km/h, os ocupantes também estão a 80 km/h.

Numa freada brusca ou colisão, a força de frenagem atua sobre o carro (pelos pneus ou pela obstrução), mas não atua diretamente sobre os ocupantes. Sem cinto, eles prosseguem com a velocidade que tinham até que algo os pare: o volante, o painel ou o para-brisa. O cinto aplica uma força sobre o corpo que o desacelera junto com o carro, impedindo que continue a se mover para a frente.

Cuidado com as alternativas que citam a 2ª lei: ela relaciona força resultante e aceleração, mas o que se projeta para a frente não é uma “força resultante” que surge sobre os passageiros na colisão; é a ausência de força sobre eles enquanto o carro é freado.

Cada ferramenta é explicada por uma lei diferente.

Chave de rodas. O efeito de girar o parafuso é medido pelo torque, \(\tau=F\,d\), em que \(d\) é a distância entre o ponto de aplicação da força e o eixo de rotação. Com um cabo maior, a mesma força produz torque maior: é o ganho de força de uma alavanca.

Macaco hidráulico. Pelo princípio de Pascal, a variação de pressão num fluido em equilíbrio, dentro de um recipiente fechado, se transmite integralmente a todos os pontos. Com pressão igual nos dois êmbolos:

$$\frac{F_1}{A_1}=\frac{F_2}{A_2}\;\Rightarrow\;F_2=F_1\,\frac{A_2}{A_1}$$

Se o êmbolo onde empurramos tem área pequena e o que ergue o carro tem área grande, a força é multiplicada, na razão das áreas. O trabalho, porém, é o mesmo nos dois êmbolos: o êmbolo menor percorre uma distância proporcionalmente maior. Por isso a alternativa que diz que a força diminui no êmbolo maior inverte o princípio, e a que atribui tudo ao torque confunde as duas ferramentas.

A pergunta do aluno é sobre o frio no alto das montanhas, e a convecção do professor não responde a isso: ela descreve a troca de calor por movimento de massas de fluido, como no alimento soprado. O resfriamento do ar em altitude vem de outro fenômeno, e a alternativa que reconhece isso é a única coerente com a Física.

Em altitude, a pressão atmosférica é menor, pois há menos ar acima. Uma massa de ar que sobe encontra pressão cada vez menor e se expande. Ao se expandir, o gás realiza trabalho sobre a vizinhança e, como o processo é rápido demais para trocar calor de forma significativa (aproximadamente adiabático), esse trabalho é retirado da sua energia interna:

$$Q\approx0\;\Rightarrow\;\Delta U=-W\ \text{(com }W>0\text{ na expansão)}\;\Rightarrow\;\Delta U<0\;\Rightarrow\;T\ \text{diminui}$$

Por isso o ar é mais frio onde o ar é mais rarefeito. A alternativa que atribui o frio a um “empuxo” da diferença de pressão mistura conceitos, e a que diz que “nem sempre” é mais frio contraria a observação do enunciado. No enunciado aparece “latitude”, mas a grandeza que importa nessa explicação é a altitude.

Para Aristóteles, o fogo sobe porque seu “lugar natural” é no alto. Na Física newtoniana não há lugares naturais: o que existe são forças e densidades diferentes.

A chama aquece o ar ao seu redor. Esse ar, ao se aquecer, dilata-se e fica menos denso que o ar frio em volta. No campo gravitacional, o ar frio, mais denso, desce e empurra o ar quente para cima, formando uma corrente de convecção ascendente. Os gases quentes da combustão acompanham essa corrente e por isso a chama se alonga para cima, qualquer que seja a posição da vela.

As alternativas que falam em “vácuo parcial” ou em “empuxo da pressão atmosférica” sobre a “chama leve” usam termos físicos sem o mecanismo correto. A que diz que “o fogo tem densidade menor” descreve o resultado, mas não explica por que a chama se mantém voltada para cima quando a vela está inclinada. Em ambiente sem gravidade (numa estação espacial, por exemplo), não há convecção e a chama da vela se torna esférica.

A temperatura de ebulição de um líquido aumenta com a pressão sobre ele. Na panela de pressão, a tampa hermética impede que o vapor escape livremente, a pressão interna sobe acima da atmosférica e a água só entra em ebulição a uma temperatura maior que 100 °C (na prática, cerca de 120 °C). Como os alimentos cozinham mais rápido a temperaturas mais altas, o tempo de cozimento diminui.

Avaliando as demais:

— A água só ferve a 100 °C à pressão atmosférica normal; dentro da panela a pressão é maior. Além disso, nem toda a energia térmica vira energia mecânica da válvula.

— Depois que a válvula começa a girar, a pressão já está regulada pela válvula, e a temperatura da água se estabiliza no valor de ebulição para essa pressão. Aumentar a chama apenas produz mais vapor e desperdício de energia; a temperatura dentro da panela não sobe mais. Por isso se recomenda reduzir o fogo.

— A afirmação de que menor pressão dá menor temperatura de ebulição é verdadeira, mas não é o que ocorre na panela de pressão, que trabalha com pressão maior que a atmosférica; a água não permanece a 90 °C.

A lei de Coulomb descreve o módulo da força entre duas cargas puntiformes:

$$F=k\,\frac{|q_1|\,|q_2|}{d^2}$$

A força cai com o quadrado da distância, vale para cargas de qualquer sinal (atração entre sinais opostos, repulsão entre sinais iguais) e, portanto, diminui quando a distância aumenta, para qualquer combinação de sinais. Isso elimina as alternativas que falam de “apenas cargas positivas”, “inverso da distância” e “aumenta com a distância”.

Sobre a natureza das cargas: os prótons e nêutrons ficam presos no núcleo, e os processos de eletrização (atrito, contato, indução) só transferem elétrons. Um corpo que perde elétrons fica com excesso de carga positiva; um que ganha elétrons fica negativo. Não há quebra de núcleo nem transferência de prótons nesses processos. A única alternativa que descreve isso corretamente, é a que associa a eletrização à perda ou ao ganho de elétrons: corpo que ganha elétrons fica negativo, e corpo que perde elétrons fica positivo.

O campo elétrico \(\vec E\) num ponto do espaço é definido por meio de uma carga de prova (ou carga teste) positiva \(+q_0\), colocada nesse ponto: o campo é a força elétrica que a carga \(Q\) (a fonte) exerce sobre a carga de prova, por unidade de carga de prova:

$$\vec E=\frac{\vec F}{q_0}$$

Assim, a alternativa que fala da força que a carga \(Q\) exerce sobre a carga teste \(+q_0\) é a que corresponde à definição (a divisão por \(q_0\) mantém o campo independente da carga de prova). A força entre duas cargas é a lei de Coulomb, não o campo. O campo é uma propriedade de qualquer carga, positiva ou negativa, e existe também para cargas em repouso: a eletrostática trata de campos criados por cargas paradas.

A reflexão total interna ocorre quando a luz, ao tentar passar de um meio mais refringente para um menos refringente, incide com ângulo maior que o ângulo crítico (ou limite). A lei de Snell fornece esse ângulo:

$$n_1\,\operatorname{sen}\theta_c=n_2\,\operatorname{sen}90^\circ\;\Rightarrow\;\operatorname{sen}\theta_c=\frac{n_2}{n_1}\quad(n_1>n_2)$$

O ângulo crítico depende, portanto, dos índices dos dois meios, e só existe quando a luz vem do meio de maior índice de refração. Na fibra óptica, o núcleo tem índice maior que a casca que o envolve; a luz incide na interface com ângulo maior que \(\theta_c\) e é totalmente refletida, “presa” no núcleo, avançando de reflexão em reflexão.

Nas demais alternativas: ao passar de um meio de menor para um de maior índice não há reflexão total, para nenhum ângulo; a fibra não tem “superfície espelhada”; e o fenômeno é óptico, não eletrônico.

Na miopia o globo ocular é alongado (ou o cristalino é convergente demais): os raios vindos de objetos distantes convergem antes de chegar à retina, e a imagem na retina fica desfocada. Para afastar o ponto de convergência até a retina, é preciso diminuir a vergência do conjunto, e isso se faz com uma lente divergente (bordas mais espessas que o centro), com distância focal negativa.

$$V=\frac1f\;<0\ \text{(divergente)}$$

Nota sobre o gabarito: o gabarito oficial divulgado pela banca registra “antes – convergentes”, o que é incompatível com a óptica da visão: lentes convergentes corrigem a hipermetropia (imagem “depois” da retina). Mantivemos o gabarito oficial no painel, por fidelidade ao documento da banca, e deixamos esta observação para o estudante não decorar a relação trocada.