PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 16 do IME 2025

Cinco discos A, B, C, D e E, de centros fixos, giram solidariamente conforme a geometria da figura. Duas partículas de massas m e 2m enrolam ou desenrolam fios inextensíveis às mesmas velocidades escalares das bordas de seus respectivos discos.
Dados:
• aceleração da gravidade: g;
Observações:
• os cinco discos estão inicialmente em repouso;
• os cinco centros dos discos estão na mesma horizontal;
• o disco A está engrenado ao disco B;
• ao girar, o disco B faz o disco C girar à mesma velocidade angular, pois B e C são concêntricos;
• o disco C está engrenado ao disco D;
• ao girar, o disco D faz o disco E girar à mesma velocidade angular, pois D e E são concêntricos;
• a partícula de menor massa está associada ao disco A e a de maior massa ao disco E;
• despreze as massas dos discos e desconsidere quaisquer deslizamentos.
Pelo princípio da conservação da energia, a aceleração (módulo e sentido) da partícula de maior massa, após o início de seu movimento, é:
- A2/19\ g, de baixo para cima (enrolando o fio)
- B2/19\ g, de cima para baixo (desenrolando o fio)
- C4/19\ g, de baixo para cima (enrolando o fio)
- D4/11\ g, de cima para baixo (desenrolando o fio)
- E4/11\ g, de baixo para cima (enrolando o fio)
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Resolução comentada
Primeiro, a relação entre as velocidades. Discos engrenados têm a mesma velocidade escalar na borda de contato, e discos concêntricos têm a mesma velocidade angular.
- A com B: \omega_A r = \omega_B \cdot 2r, logo \omega_A = 2\omega_B.
- C gira com B: \omega_C=\omega_B. C com D: \omega_B r=\omega_D\cdot 3r, logo \omega_D=\omega_B/3.
- E gira com D: \omega_E=\omega_B/3.
Velocidades das partículas (fios nas bordas de raio r):
Logo v_1=6v_2.
Sentido: A e B giram em sentidos opostos, B e C no mesmo, C e D opostos, D e E no mesmo. Então A e D giram no mesmo sentido, e E também, ou seja, A e E giram no mesmo sentido. A partícula m está presa à borda esquerda de A e a 2m à borda direita de E. Se A gira no sentido anti-horário, sua borda esquerda sobe, então m sobe. E gira no mesmo sentido, anti-horário, e sua borda direita desce, então 2m desce.
Portanto, a partícula pesada (2m) desce e a leve (m) sobe, com v_1=6v_2. Pode ser que o sistema se mova assim, pois o torque da massa maior é suficiente? Vejamos pela energia, com v_2=v e v_1=6v:
O lado esquerdo é negativo (2mgh-6mgh=-4mgh), então o movimento não ocorre nesse sentido. O sistema gira no sentido contrário: 2m sobe (enrola o fio) e m desce.
Com 2m subindo h e m descendo 6h:
Derivando em relação ao tempo, com h crescendo a taxa v: 4mg\,v=19m\cdot 2v a, ou seja,
A partícula de massa 2m sobe, enrolando o fio.
Alternativa A.
Pegadinha: A alternativa B tem o módulo certo, mas o sentido invertido: é preciso notar que a partícula leve, por ser 6 vezes mais rápida, vence a pesada.
Por que as outras alternativas estão erradas
- Bacerta o módulo, mas o sentido é errado: a partícula de 2m sobe, pois o torque da massa m (6 vezes mais rápida) prevalece.
- Cerra o módulo ao esquecer o fator 2 da derivada da energia cinética.
- Dmódulo e sentido errados, pois ignora a relação de velocidades 6:1.
- Emódulo errado, vindo de uma relação de velocidades incorreta.
Assuntos: Leis de Newton e aplicações, Movimento circular uniforme e transmissão de movimento.
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Fonte: IME 2025 · Prova objetiva. Prova oficial ↗