PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 10 (Física) da 2ª fase do IME 2019

A figura acima mostra um sistema em equilíbrio composto por três corpos presos por tirantes de comprimento L cada, carregados com cargas iguais a Q. Os corpos possuem massas m_1 e m_2, conforme indicados na figura. Sabendo que o tirante conectado à massa m_2 não está tensionado, determine os valores de m_1 e m_2 em função de k e Q.
Dados:
- constante dielétrica do meio: k\ [\text{Nm}^2/\text{C}^2];
- carga elétrica dos corpos: Q\ [\text{C}];
- comprimento dos tirantes: L = 2\ \text{m};
- altura: h = \left(2 - \dfrac{\sqrt{3}}{3}\right)\ \text{m};
- aceleração da gravidade: g = 10\ \text{m/s}^2; e
- \alpha = 30^\circ.
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Resolução comentada
a)
Primeiro a geometria, tomando como origem o ponto de fixação no teto.
- Cada m_1 está a L\cos 30^\circ=\sqrt3\ \text{m} abaixo do teto e a L\sen 30^\circ = 1\ \text{m} da vertical central.
- Distância entre as duas m_1: 2\ \text{m}.
- O teto está a h+\sqrt3 = 2+\frac{2\sqrt3}{3}\ \text{m} do chão.
- A massa m_2 está a L=2\ \text{m} do chão (tirante vertical), logo \frac{\sqrt3}{3}\ \text{m} acima das m_1.
- Distância entre m_2 e cada m_1: d=\sqrt{1^2+\left(\frac{\sqrt3}{3}\right)^2}=\frac{2\sqrt3}{3}\ \text{m}.
- A reta que liga m_1 a m_2 faz 30^\circ com a horizontal, pois \tg\theta=\frac{\sqrt3/3}{1}.
As forças elétricas são repulsivas, porque as cargas são iguais:
Equilíbrio de m_2. O tirante está frouxo, então só atuam o peso e as duas repulsões vindas das m_1. As componentes horizontais se cancelam. As verticais, para cima, valem F_{12}\sen30^\circ cada uma:
Equilíbrio de m_1. Atuam o peso, a tração T (a 30^\circ da vertical, em direção ao teto), a repulsão F_{11} (horizontal, para fora) e a repulsão de m_2, que empurra m_1 para fora e para baixo, com componentes F_{12}\cos30^\circ e F_{12}\sen30^\circ.
- Horizontal: T\sen30^\circ = F_{11}+F_{12}\cos30^\circ, ou seja, \dfrac T2=\dfrac{kQ^2}{4}+\dfrac{3\sqrt3kQ^2}{8}. Daí T=\dfrac{kQ^2(2+3\sqrt3)}{4}.
- Vertical: T\cos30^\circ = m_1 g+F_{12}\sen30^\circ, ou seja, \dfrac{kQ^2(2\sqrt3+9)}{8}=m_1 g+\dfrac{3kQ^2}{8}.
- Então m_1 g=\dfrac{kQ^2(2\sqrt3+6)}{8}=\dfrac{kQ^2(3+\sqrt3)}{4}.
Com g=10\ \text{m/s}^2:
Resposta final: m_1=\dfrac{(3+\sqrt3)kQ^2}{40} e m_2=\dfrac{3kQ^2}{40} (em kg, com k em \text{Nm}^2/\text{C}^2 e Q em C).
Assuntos: Força elétrica e lei de Coulomb, Equilíbrio do ponto material.
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Fonte: IME 2ª fase 2019 · Física. Prova oficial ↗