PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 13 do ITA 2020
Texto-base das questões 01 a 15 · 1ª fase
Considere g como o módulo da aceleração local da gravidade e, quando necessário, use g = 10\ \text{m/s}^2.
Três esferas idênticas de massa m, carga elétrica Q e dimensões desprezíveis, são presas a extremidades de fios isolantes e inextensíveis de comprimento l. As demais pontas dos fios são fixadas a um ponto P, que sustenta as massas. Na condição de equilíbrio do sistema, verifica-se que o ângulo entre um dos fios e a direção vertical é \theta, conforme mostra a figura. Sendo \varepsilon_0 a permissividade elétrica do meio, o valor da carga elétrica Q é dada por

- Al\sqrt{12\pi\varepsilon_0mg\,\sen\theta\cos\theta}.
- Bl\sqrt{4\pi\varepsilon_0mg\,\tg\theta\sqrt{3}}.
- Cl\sen\theta\sqrt{4\pi\varepsilon_0mg\,\tg\theta\sqrt{3}}.
- Dl\sen\theta\sqrt{\dfrac{4\pi\varepsilon_0mg\,\tg\theta}{\sqrt{3}}}.
- El\sen\theta\sqrt{4\pi\varepsilon_0mg\,\tg\theta}.
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Resolução comentada
As três esferas ficam nos vértices de um triângulo equilátero horizontal, com o centro na vertical que passa por P. Cada fio forma o ângulo \theta com essa vertical.
-
Raio da circunferência que contém as esferas: r = l\,\sen\theta.
-
Lado do triângulo equilátero inscrito, que é a distância entre duas esferas: d = r\sqrt{3} = l\sqrt{3}\,\sen\theta.
-
Cada esfera sofre repulsão das outras duas, com módulo F = \dfrac{Q^2}{4\pi\varepsilon_0 d^2}. Os dois ângulos entre cada força e a direção radial valem 30^\circ, então a resultante horizontal, radial e para fora, é:
F_R = 2F\cos 30^\circ = F\sqrt{3} -
Equilíbrio de uma esfera: a tração T tem componente vertical T\cos\theta = mg e componente horizontal T\sen\theta = F_R. Dividindo uma pela outra:
\tg\theta = \frac{F_R}{mg} \Rightarrow F_R = mg\,\tg\theta -
Igualando:
\sqrt{3}\,\frac{Q^2}{4\pi\varepsilon_0\, 3\, l^2\sen^2\theta} = mg\,\tg\theta
Q^2 = \frac{4\pi\varepsilon_0\, 3\, l^2\sen^2\theta\; mg\,\tg\theta}{\sqrt{3}} = 4\pi\varepsilon_0\, mg\,\tg\theta\,\sqrt{3}\; l^2\sen^2\theta -
Logo:
Q = l\,\sen\theta\sqrt{4\pi\varepsilon_0\, mg\,\tg\theta\,\sqrt{3}}
Alternativa C.
Por que as outras alternativas estão erradas
- AEsquece o fator \sen\theta fora da raiz e a expressão interna não corresponde ao resultado.
- BUsa l em vez do raio l\sen\theta na geometria, omitindo o \sen\theta fora da raiz.
- DDivide por \sqrt{3} em vez de multiplicar, errando a simplificação de 3/\sqrt{3}.
- EOmite o fator \sqrt{3}, tratando a força resultante como se não houvesse a soma vetorial das duas repulsões.
Assuntos: lei de Coulomb, equilíbrio de forças, geometria do triângulo equilátero.
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Fonte: ITA 2020 · 1ª fase. Prova oficial ↗