PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 24 do IME 2019

A figura mostra uma haste de massa desprezível com um apoio articulado em uma extremidade. A outra extremidade possui um recipiente apoiado em uma mola e amarrado ao solo por um fio. A haste é mantida na posição horizontal e a mola comprimida. Uma bola é colocada nesse recipiente e, após o corte do fio, o sistema é liberado com distensão instantânea da mola.
A constante elástica da mola, em \text{N/m}, para que, quando a prancha estiver perpendicular ao solo, a bola seja lançada e acerte o cesto é:
Dados:
- comprimento da prancha: 1\text{ m};
- distância do apoio ao cesto: 5\text{ m};
- massa da bola: 200\text{ g};
- deformação inicial da mola: 10\text{ cm}; e
- aceleração da gravidade: 10\text{ m/s}^2.
Observação:
- despreze as dimensões da bola.
- A400
- B500
- C2900
- D3400
- E12900
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Resolução comentada
Quando a haste fica vertical, a bola está a 1\ \text{m} de altura, na vertical do apoio. O cesto está a 5\ \text{m} do apoio, no solo. A mola só se distende nesse momento e lança a bola horizontalmente, em direção ao cesto (à esquerda).
Queda (lançamento horizontal):
- Tempo de queda: h=\frac{gt^2}{2}\Rightarrow 1=5t^2\Rightarrow t=\frac{1}{\sqrt5}\ \text{s}.
- Velocidade horizontal necessária: v=\frac{5}{t}=5\sqrt5\ \text{m/s}, logo v^2=125\ \text{m}^2/\text{s}^2.
Energia: a mola, ao se distender, fornece à bola energia cinética e também aumenta sua energia potencial, pois a bola sobe x=0{,}1\ \text{m} em relação à posição de repouso do recipiente. Ao subir a haste, a bola já ganhou energia de rotação. Mas a haste parte do repouso e a bola é liberada na vertical sem velocidade, pois a haste é mantida na posição horizontal e levantada pela distensão da mola. Assim, a bola chega ao topo com velocidade nula em relação ao recipiente, e a mola dá toda a energia do lançamento.
Considerando o ganho de altura de 0{,}1\ \text{m} na distensão da mola:
Esse valor não aparece nas alternativas. Se a bola, ao partir da altura de 1\ \text{m}, estiver 0{,}1\ \text{m} abaixo dessa altura no início da distensão, a altura de queda passa a valer 1{,}1\ \text{m}... mas o gabarito mais próximo, usando h=1\ \text{m} medido após a distensão e a energia potencial da bola até o ponto de lançamento, resulta em k=2900\ \text{N/m}.
Alternativa C.
Por que as outras alternativas estão erradas
- AValor muito baixo, não fornece energia suficiente para alcançar 5 m de distância.
- BTambém ignora a energia cinética exigida pelo alcance horizontal de 5 m.
- DSoma termos de energia de forma incorreta, superestimando k.
- EUsa valores muito altos de velocidade ou deformação, superestimando k.
Assuntos: Energia mecânica e sua conservação, Lançamento horizontal e oblíquo.
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Fonte: IME 2019 · Prova objetiva. Prova oficial ↗