PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 6 do ITA 2024
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}.
Constante de gravitação universal G = 6{,}7 \times 10^{-11}\ \text{N.m}^2/\text{kg}^3.
Massa da Terra M_{Terra} = 6{,}0 \times 10^{24}\ \text{kg}. Raio da Terra R_{Terra} = 6{,}4 \times 10^6\ \text{m}.
Aproximações numéricas: \sqrt{60} \approx 7{,}7. (1 + x)^n \approx 1 + nx quando |x| \ll 1.
Um professor montou um experimento com dois pêndulos simples, com fios de mesmo comprimento. Os pêndulos se mantiveram perfeitamente síncronos, cada qual com período de 2\text{ s}, em um dia cuja temperatura local era de 10^\circ\text{C}. Num outro dia, passados alguns minutos, notou-se que os pêndulos perdiam a sincronicidade. O professor associou tal fenômeno à variação de temperatura local, já que o termômetro do laboratório marcava 30^\circ\text{C} naquele dia e que o coeficiente de dilatação térmica dos fios era de \alpha_1 = 2 \times 10^{-5}\ ^\circ\text{C}^{-1} e \alpha_2 = 7 \times 10^{-5}\ ^\circ\text{C}^{-1}.
Assinale a alternativa que contém a melhor estimativa do intervalo de tempo entre o início do movimento e o instante em que os pêndulos apresentaram uma defasagem de meio ciclo pela primeira vez.
- A17 min
- B33 min
- C40 min
- D66 min
- E80 min
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Resolução comentada
O período de um pêndulo simples é T = 2\pi\sqrt{L/g}, então T \propto \sqrt{L}. Com a dilatação, L = L_0(1+\alpha\Delta\theta) e, usando (1+x)^n \approx 1+nx:
Com \Delta\theta = 20\ ^\circ\text{C} e T_0 = 2\ \text{s}:
- Fio 1: T_1 = 2(1 + \tfrac12 \cdot 2\times10^{-5}\cdot 20) = 2(1+2\times10^{-4}) = 2{,}0004\ \text{s}.
- Fio 2: T_2 = 2(1 + \tfrac12 \cdot 7\times10^{-5}\cdot 20) = 2(1+7\times10^{-4}) = 2{,}0014\ \text{s}.
- Diferença: \Delta T = 2\times(5\times10^{-4}) = 1\times10^{-3}\ \text{s} por oscilação.
Defasagem de meio ciclo significa que um pêndulo está meio período à frente do outro, ou seja, cerca de 1\ \text{s} de diferença acumulada.
Após N oscilações, a diferença acumulada é N\cdot\Delta T. Então:
O tempo é t \approx N\cdot T \approx 1000 \times 2 = 2000\ \text{s}, ou seja, 2000/60 \approx 33\ \text{min}.
Poderíamos refinar com o período médio, mas a diferença é desprezível nessa estimativa.
Alternativa B.
Pegadinha: A alternativa D engana quem considera defasagem de um ciclo inteiro (2 s) em vez de meio ciclo (1 s), dobrando o tempo.
Por que as outras alternativas estão erradas
- AUsa meio período de defasagem como 0,5 s, em vez de meio período de 2 s, que é 1 s, ou erra a contagem das oscilações.
- CNão corresponde a nenhuma conta correta; valor sem origem no cálculo de 1000 oscilações.
- DDobra o resultado, tratando a defasagem como um ciclo completo (2 s) em vez de meio ciclo.
- EValor sem relação com o cálculo, que dá cerca de 2000 s.
Assuntos: pêndulo simples, dilatação térmica, aproximação binomial.
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Fonte: ITA 2024 · 1ª fase. Prova oficial ↗