PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 3 do ITA 2021
Texto-base das questões 01 a 15 · 1ª fase
Quando precisar use os seguintes valores para as constantes:
Aceleração local da gravidade g=10\text{ m/s}^2. Constante gravitacional universal G=6{,}67\times 10^{-11}\text{ m}^3.\text{kg}^{-1}.\text{s}^{-2}.
Velocidade da luz no vácuo c=3{,}0\times 10^8\text{ m/s}. Constante de Planck reduzida \hbar= 1{,}05\times 10^{-34}\text{ J.s}.
Permeabilidade magnética do vácuo \mu_0=4\pi\times 10^{-7}\text{ N.A}^{-2}. Carga elétrica elementar e=1{,}6\times 10^{-19}\text{ C}.
Massa do elétron m_0=9{,}1\times 10^{-31}\text{ kg}. Constante eletrostática do vácuo K_0=9{,}0\times 10^9\text{ N.m}^2.C^{-2}.
Uma bola de gude de raio r e uma bola de basquete de raio R são lançadas contra uma parede com velocidade horizontal v e com seus centros a uma altura h. A bola de gude e a bola de basquete estão na iminência de contato entre si, assim como ambas contra a parede. Desprezando a duração de todas as colisões e quaisquer perdas de energia, calcule o deslocamento horizontal \Delta S da bolinha de gude ao atingir o solo.

- A3v\sqrt{\dfrac{2(h-2r)}{g}}
- B3v\sqrt{\dfrac{2(h-r)}{g}}
- Cv\sqrt{\dfrac{2(h-r)}{g}}
- Dv\sqrt{\dfrac{2(h-2r)}{g}}
- E3v\sqrt{\dfrac{2(h-R-r)}{g}}
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Resolução comentada
Este é o clássico "efeito estilingue" de colisões elásticas em sequência. Como as duas bolas têm a mesma velocidade horizontal v e estão a uma mesma altura, a trajetória é a mesma na vertical, então a ordem das colisões só depende do eixo horizontal.
O que ocorre:
-
A bola de basquete (massa M\gg m) bate na parede de modo elástico e inverte a velocidade: passa a ter -v, isto é, volta com v em direção à bola de gude.
-
A bola de gude, que ainda vai para a parede com v, colide elasticamente com a bola de basquete, que vem em sentido oposto com v. No referencial da bola grande (muito mais pesada, praticamente inalterada), a gude chega com velocidade relativa 2v e volta com 2v. Em relação ao solo: v_{gude}=2v+v=3v, afastando-se da parede.
-
Como M\gg m, a velocidade da gude após o choque é 3v (limite de massa grande). Esse limite é o que torna o resultado igual a uma das alternativas.
-
Queda: o centro da gude está a altura h, mas ela só toca o solo quando o centro está a altura r. Então a queda vale h-r:
- Deslocamento horizontal:
Alternativa B.
Pegadinha: A alternativa A engana por usar h-2r (esquece que o centro só desce até a altura r); C engana por esquecer o fator 3 da colisão.
Por que as outras alternativas estão erradas
- Ausa queda de h-2r, mas o centro da gude desce apenas h-r até tocar o solo.
- Cignora o ganho de velocidade na colisão com a bola de basquete e usa v em vez de 3v.
- Dmantém a velocidade v e usa altura de queda errada h-2r.
- Esubtrai também R da altura, mas o raio da bola de basquete não interfere na queda da gude.
Assuntos: colisões elásticas, lançamento horizontal.
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Fonte: ITA 2021 · 1ª fase. Prova oficial ↗