PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 17 do IME 2024

Um recipiente vazio de formato cônico está parcialmente imerso na água e em equilíbrio, como geometria apresentada na figura. Insere-se no interior do recipiente uma partícula de massa m = K\rho\pi h^3, onde K é uma constante, \rho é a massa específica da água e h está indicado na figura. Após essa inserção, o recipiente sofre um pequeno deslocamento, afundando uma altura \Delta h.
Dado:
• aceleração da gravidade: g.
Observações:
• a espessura do recipiente é muito pequena;
• \Delta h \ll h;
• para |\alpha| \ll 1, (1 + \alpha)^n \approx 1 + n\alpha.
A altura \Delta h que o recipiente irá afundar até o novo ponto de equilíbrio é:
- AKh/3
- BKh/6
- CKh
- D3Kh
- E2Kh
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Resolução comentada
O recipiente flutua em equilíbrio, então o empuxo é igual ao peso. Ao inserir a partícula, o peso aumenta em mg, e o empuxo precisa aumentar o mesmo tanto. O empuxo é \rho g V_{sub}, onde V_{sub} é o volume do cone submerso.
A figura mostra o ângulo reto no vértice, então o semiângulo do cone é 45^\circ. Logo, o raio do cone à profundidade x é igual a x, e o volume submerso é V=\frac{1}{3}\pi x^3.
- Na situação inicial, x=h e o raio na superfície da água é h.
- Ao afundar \Delta h, o volume submerso passa a ser V'=\frac{1}{3}\pi (h+\Delta h)^3.
- O acréscimo de volume é \Delta V=\frac{\pi}{3}\left[(h+\Delta h)^3-h^3\right].
- Com \Delta h\ll h, usamos (1+\alpha)^n\approx 1+n\alpha: (h+\Delta h)^3=h^3\left(1+\frac{\Delta h}{h}\right)^3\approx h^3+3h^2\Delta h.
- Então \Delta V\approx \frac{\pi}{3}\cdot 3h^2\Delta h=\pi h^2\Delta h.
O acréscimo de empuxo deve igualar o peso da partícula:
Cancelando \rho, g, \pi e h^2, obtemos \Delta h=Kh.
Alternativa C.
Por que as outras alternativas estão erradas
- AMantém o fator 1/3 do volume do cone na variação, sem derivar o termo x^3 (que dá o fator 3).
- BErro de fator na área da superfície, dividindo por 6 sem base na geometria do cone.
- DMultiplica por 3 ao usar a expansão binomial, esquecendo de cancelar com o 1/3 do volume do cone.
- EUsa área da seção errada (por exemplo, diâmetro no lugar do raio), dobrando o resultado.
Assuntos: empuxo, equilíbrio de flutuação, aproximação binomial.
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Fonte: IME 2024 · Prova objetiva. Prova oficial ↗