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Questão 92 (CFS 1) da EEAR 2018

CFS 1 · Física: Empuxo e princípio de Arquimedes

– Um balão de borracha preto foi preenchido com ar e exposto ao sol. Após certo tempo tende a se mover para cima se não estiver preso a algo. Uma possível explicação física para tal acontecimento seria:

  1. A
    O aquecimento do ar dentro do balão causa uma propulsão em seu interior devido à convecção do ar;
  2. B
    O aumento da temperatura dentro do balão diminui a densidade do ar, fazendo com que o empuxo tenda a ficar maior do que o peso;
  3. C
    A borracha do balão tem a sua composição alterada, tornando-o mais leve;
  4. D
    O aquecimento do ar diminui a massa do mesmo dentro do balão, tornando-o mais leve.
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Resolução comentada

O balão está imerso no ar, então sofre um empuxo igual ao peso do ar que ele desloca: E = \rho_{ar}\, V\, g. Esse empuxo aponta para cima. O peso do balão (borracha + ar interno) aponta para baixo.

A borracha preta absorve bem a radiação solar e esquenta. Ela aquece o ar interno, que se dilata. Como o balão é elástico, seu volume V aumenta um pouco. Sem escapar ar, a massa interna é praticamente constante, e a densidade do ar interno diminui, pois \rho = m/V.

Duas consequências:

  1. O empuxo, que depende do volume deslocado, tende a aumentar, pois V cresce.
  2. O peso total permanece praticamente igual, pois a massa de ar dentro do balão não muda.

Quando E fica maior que o peso, a força resultante aponta para cima e o balão sobe. É o mesmo princípio do balão de ar quente: o ar interno fica menos denso que o ar externo.

A alternativa B descreve isso: a temperatura sobe, a densidade interna cai e o empuxo tende a superar o peso.

As outras falham: convecção não gera "propulsão"; a borracha não muda de composição; e a massa de ar não diminui, pois o balão está fechado.

Alternativa B.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • AA convecção ocorre dentro do balão, mas é uma força interna e não gera propulsão que o faça subir.
  • CO aquecimento não altera a composição da borracha nem sua massa de forma relevante.
  • DO balão está fechado, então a massa de ar dentro dele não diminui; o que muda é a densidade, pelo aumento do volume.

Assuntos: Empuxo e princípio de Arquimedes, Gases ideais e transformações gasosas.

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Ver como caiu na prova Questão 92 no caderno CFS 1 da EEAR 2018

Fonte: EEAR 2018 · CFS 1. Prova oficial ↗