PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 20 do IME 2023

Uma fonte sonora está pendurada por um fio ideal, conforme ilustrado na figura, realizando um movimento pendular.
Dados:
- frequência da fonte sonora: f;
- comprimento do fio do pêndulo: L;
- aceleração da gravidade: g;
- velocidade do som: v.
Se \theta_{\mathrm{max}} é o ângulo máximo atingido pelo fio que sustenta a fonte com relação à vertical, a frequência máxima do som ouvido por um observador localizado a uma distância ínfima do ponto mais baixo da trajetória da fonte é:
- A\dfrac{fv}{v-\sqrt{2gL[1-\sen(\theta_{max})]}}
- B\dfrac{fv}{v-\sqrt{2gL[1-\cos(\theta_{max})]}}
- C\dfrac{f}{v}\left\{v-\sqrt{2gL[1-\sen(\theta_{max})]}\right\}
- D\dfrac{f}{v}\left\{v-\sqrt{2gL[1-\cos(\theta_{max})]}\right\}
- E\dfrac{fv}{v-\sqrt{2gL\cos(\theta_{max})}}
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Resolução comentada
Há dois conceitos aqui: conservação da energia mecânica no pêndulo e efeito Doppler.
1. Velocidade da fonte no ponto mais baixo. Soltando-se a fonte do ângulo máximo \theta_{max}, ela desce uma altura
Pela conservação da energia, mgh = \frac{mV^2}{2}, então
2. Efeito Doppler. O observador está parado, quase no ponto mais baixo. Ali a velocidade da fonte é máxima e horizontal, perpendicular ao fio, e é nesse ponto que ela tem componente de velocidade na direção do observador. Quando a fonte se aproxima do observador, a frequência percebida é a maior possível:
Como o observador está a uma distância ínfima do ponto mais baixo, a direção fonte–observador coincide com a da velocidade da fonte. Por isso toda a velocidade V entra na fórmula.
3. Substituindo V:
Essa expressão não aparece nas alternativas com \cos e denominador v-V, exceto se o ângulo for medido como no enunciado. Conferindo: a (B) tem \cos e o denominador correto, mas a (A) usa \sen. Logo, a que bate com a dedução é a (B).
Alternativa B.
Pegadinha: A alternativa A engana por ter a forma correta do Doppler, mas troca cosseno por seno na altura de queda.
Por que as outras alternativas estão erradas
- Ausa seno do ângulo máximo na altura de queda, mas a altura é L(1-\cos\theta_{max}).
- Cmultiplica f por (v−V)/v, que seria a frequência de uma fonte se afastando, e ainda usa seno.
- Dusa o fator (v−V)/v, de afastamento, dando frequência menor que f.
- Eusa 2gL\cos\theta_{max} como se fosse a energia, esquecendo a altura L(1-\cos\theta_{max}).
Assuntos: efeito Doppler, pêndulo, conservação da energia.
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Fonte: IME 2023 · Prova objetiva. Prova oficial ↗