PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 5 do ITA 2022
Texto-base das questões 01 a 15 · 1ª fase
Se necessitar, use os seguintes valores para as constantes:
Aceleração local da gravidade g = 10\ \text{m/s}^2. 1\ \text{UA} = d_{Terra-Sol} = 150 milhões de quilômetros.
Velocidade da luz no vácuo c = 3{,}0 \times 10^8\ \text{m/s}.
Em seu experimento para medir a constante gravitacional G, Henry Cavendish utilizou uma balança de torção composta por uma haste leve e longa, de comprimento L, com duas massas m em suas extremidades, suspensa por um fio fixado ao seu centro. Dois objetos de massa M foram aproximados às extremidades da haste, conforme mostra a figura abaixo, de tal forma que a haste sofreu um pequeno ângulo de deflexão \Delta\phi a partir da posição inicial de repouso, e foi medida a distância b entre os centros das massas m e M mais próximos. Quando torcido de um ângulo \phi, o fio gera um torque restaurador \tau = -\kappa\phi. Determine a expressão aproximada de G, em termos dos parâmetros do sistema.

- A\dfrac{b^2 k\Delta\phi}{4LMm}
- B\dfrac{b^2 k\Delta\phi}{2LMm}
- C\dfrac{b^2 k\Delta\phi}{LMm}
- D\dfrac{2b^2 k\Delta\phi}{LMm}
- E\dfrac{4b^2 k\Delta\phi}{LMm}
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Resolução comentada
Na posição de equilíbrio, o torque gravitacional que as massas M fazem sobre a haste é equilibrado pelo torque restaurador do fio, \kappa\,\Delta\phi.
-
Força entre cada par próximo (m e M), separados por b (a figura mostra a distância horizontal entre os centros):
F = \frac{G M m}{b^2} -
Como \Delta\phi é pequeno, essa força é praticamente perpendicular à haste. Cada força atua a uma distância L/2 do eixo (o fio, no centro da haste).
-
As duas forças produzem torques no mesmo sentido (uma empurra a extremidade de cima e a outra, a de baixo, em sentidos opostos, girando a haste igualmente). O torque total é:
\tau_{grav} = 2\cdot F\cdot\frac{L}{2} = F L = \frac{G M m L}{b^2} -
No equilíbrio:
\frac{G M m L}{b^2} = \kappa\,\Delta\phi -
Isolando G:
G = \frac{b^2\,\kappa\,\Delta\phi}{L M m}
As atrações cruzadas (a massa M com a massa m mais distante) são desprezadas, daí a expressão ser aproximada.
Alternativa C.
Por que as outras alternativas estão erradas
- Adivide por 4 sem motivo, como se o braço fosse L/2 e houvesse só uma força, ou ainda com fator extra errado.
- Bconsidera só uma das forças (torque F L/2), esquecendo que as duas massas contribuem.
- Dusa braço L em vez de L/2 para cada força, dobrando o torque.
- Edobra o torque duas vezes, usando braço L e duas forças.
Assuntos: gravitação, torque, balança de torção.
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Fonte: ITA 2022 · 1ª fase. Prova oficial ↗