PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 4 do ITA 2023
Texto-base das questões 01 a 12 · 1ª fase
Quando necessário, use os seguintes valores para as constantes:
Aceleração local da gravidade g = 10\ \text{m/s}^2. Velocidade da luz no vácuo c = 3{,}0 \times 10^8\ \text{m/s}.
Aproximações numéricas: \log 2 \approx 0{,}30, \log 3 \approx 0{,}48 e \ln 10 \approx 2{,}3.
Um corpo de massa m é lançado em um plano horizontal sem atrito, sob ação da gravidade g, e, ao entrar em um tubo, executa uma trajetória circular de raio R. A força exercida no corpo pelo tubo logo após o início do movimento circular tem intensidade F. Após meia volta, o corpo percorre uma trajetória retilínea em movimento uniforme até certa distância e depois sobe até certa altura h. O corpo sai do tubo em movimento vertical e imediatamente passa a se mover dentro de um fluido viscoso até atingir altura máxima H, conforme mostra a figura. Considere que o corpo se desloca pelo tubo sem atrito; que o diâmetro do tubo é desprezível em relação a R, h e H; e que o módulo do trabalho realizado pela força de atrito viscoso até a massa atingir H é equivalente a um terço da energia cinética da partícula, quando esta adentra o fluido.

Assinale a alternativa que expressa H em função das variáveis fornecidas.
- A\dfrac{1}{3}\left(h-4R+\dfrac{FR}{mg}\right).
- B\dfrac{1}{6}\left(4h-5R+\dfrac{FR}{mg}\right).
- C\dfrac{1}{3}\left(h-5R+\dfrac{FR}{mg}\right).
- D\dfrac{1}{6}\left(2h-3R+\dfrac{FR}{mg}\right).
- E\dfrac{1}{6}\left(h-2R+\dfrac{FR}{mg}\right).
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Resolução comentada
Passo a passo, usando energia.
1. Velocidade na entrada do tubo. Logo após entrar, o corpo está na parte de baixo da circunferência, com a velocidade horizontal. A força do tubo é vertical, para cima (rumo ao centro), e o peso aponta para baixo:
- A energia cinética inicial é E_0=\tfrac12 mv_0^2=\tfrac12(FR-mgR).
2. Energia ao chegar ao trecho reto. Após meia volta, o corpo subiu 2R, sem atrito:
O trecho reto é horizontal e em movimento uniforme, então E_1 se mantém.
3. Energia ao entrar no fluido. Sobe mais h (a figura mostra h medido a partir do trecho horizontal):
4. Dentro do fluido. O corpo sobe até H, ou seja, sobe H-h no fluido. Pelo enunciado, |W_{atrito}|=E_2/3. Ao parar, toda a energia cinética virou potencial e trabalho do atrito:
Alternativa C.
Por que as outras alternativas estão erradas
- Ausa subida de 4R em vez de 2R na meia volta, errando o termo em R.
- Bcoeficientes de h e R não saem da conservação de energia com perda de um terço.
- Dfator 1/6 e termos em h e R incompatíveis com o balanço de energia.
- Efator 1/6 e -2R vêm de esquecer a altura 2R e de errar a fração da energia.
Assuntos: conservação de energia, dinâmica do movimento circular, trabalho de força dissipativa.
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Fonte: ITA 2023 · 1ª fase. Prova oficial ↗