Unifesp · 2007 · CE — Questões de Física comentadas — Método TEF
Universidade Federal de São Paulo
Edição 2007 · Prova de Conhecimentos Específicos, 5 questões discursivas de Física (Q11-Q15) — resolução comentada.
Q11
Mecânica — Dinâmica — Inércia e tempo de reação na frenagem
Na divulgação de um novo modelo, uma fábrica de automóveis destaca duas inovações em relação à prevenção de acidentes decorrentes de colisões traseiras: protetores móveis de cabeça e luzes intermitentes de freio. Em caso de colisão traseira, “os protetores de cabeça, controlados por sensores, são movidos para a frente para proporcionar proteção para a cabeça do motorista e do passageiro dianteiro dentro de milisegundos. Os protetores [...] previnem que a coluna vertebral se dobre, em caso de acidente, reduzindo o risco de ferimentos devido ao efeito chicote [a cabeça é forçada para trás e, em seguida, volta rápido para a frente].” As “luzes intermitentes de freio [...] alertam os motoristas que estão atrás com maior eficiência em relação às luzes de freio convencionais quando existe o risco de acidente. Testes [...] mostram que o tempo de reação de frenagem dos motoristas pode ser encurtado em média de até 0,20 segundo se uma luz de aviso piscante for utilizada durante uma frenagem de emergência. Como resultado, a distância de frenagem pode ser reduzida em 5,5 metros [aproximadamente, quando o carro estiver] a uma velocidade de 100 km/h.”
a)
Qual lei da física explica a razão de a cabeça do motorista ser forçada para trás quando o seu carro sofre uma colisão traseira, dando origem ao “efeito chicote”? Justifique.
Resposta Primeira lei de Newton
b)
Mostre como foi calculada a redução na distância de frenagem.
Resposta aproximadamente 5,6 m.
Resolução comentada
a) Na colisão traseira, o banco impulsiona o tronco para a frente, enquanto a cabeça tende a conservar seu estado anterior por inércia.
Isso produz o deslocamento relativo inicial para trás.
b) A redução ocorre na distância de reação: $$\Delta d=v\Delta t=(100/3{,}6)\cdot0{,}20\approx5{,}56\ \text{m}.$$
Resposta: a) Primeira lei de Newton; b) aproximadamente 5,6 m.
Q12
Mecânica — Trabalho e energia — Potência disponível no vento
Uma das alternativas modernas para a geração de energia elétrica limpa e relativamente barata é a energia eólica. Para a avaliação preliminar da potência eólica de um gerador situado em um determinado local, é necessário calcular a energia cinética do vento que atravessa a área varrida pelas hélices desse gerador por unidade de tempo.
a)
Faça esse cálculo para obter a potência média disponível, em watts, de um gerador eólico com hélices de 2,0 m de comprimento, colocado em um lugar onde, em média, a velocidade do vento, perpendicular à área varrida pelas hélices, é de 10 m/s. Dados: área do círculo: A = πr2 (adote π = 3,1); densidade do ar: dar = 1,2 kg/m3.
Resposta 7440 W
b)
Mesmo em lugares onde o vento é abundante, há momentos de calmaria ou em que sua velocidade não é suficiente para mover as pás do gerador. Indique uma forma para se manter o fornecimento de energia elétrica aos consumidores nessas ocasiões.
Resposta armazenamento ou fonte complementar.
Resolução comentada
a) A área varrida é $$A=3{,}1\cdot2^2=12{,}4\ m^2.$$
A massa que atravessa essa área por segundo é ρAv; a potência cinética disponível é $$P=\rho Av^3/2=1{,}2\cdot12{,}4\cdot10^3/2=7440\ \text{W}.$$
É potência disponível no vento, não a potência efetivamente convertida.
b) Baterias ou outras formas de armazenamento, além de fontes complementares conectadas à rede, podem suprir períodos de calmaria.
Resposta: a) 7440 W; b) armazenamento ou fonte complementar.
Q13
Ondas — Conceitos básicos — Velocidade e comprimento de onda no mar
O gráfico representa a profundidade (y) no mar em função da velocidade do som (v). A freqüência do som é de 3000 Hz; essa curva é válida para condições determinadas de pressão e salinidade da água do mar.
a)
Nessas condições, faça uma avaliação aproximada do valor mínimo atingido pela velocidade do som no mar e da profundidade em que isso ocorre.
Resposta aproximadamente 1510 m/s, a 100 m
b)
Desenhe na folha de respostas o esboço do correspondente gráfico profundidade (y) em função do comprimento de onda (λ) do som. Adote o mesmo eixo e a mesma escala para a profundidade e coloque o comprimento de onda no eixo das abscissas. Represente três valores de λ, escritos com três algarismos significativos.
Resposta λ = v/3000.
Resolução comentada
a) O mínimo da curva fica aproximadamente em v=1510 m/s e profundidade 100 m.
b) Como f=3000 Hz é constante, o gráfico y × λ conserva a forma de y × v, com a escala horizontal dividida por 3000.
Os valores 1510, 1520 e 1530 m/s passam a 0,503, 0,507 e 0,510 m, respectivamente, com três algarismos significativos.
Resposta: a) aproximadamente 1510 m/s, a 100 m; b) λ = v/3000.
Q14
Óptica — Refração — Ângulo de entrada em fibra óptica
A fibra óptica possibilita transporte da luz ou de outra radiação eletromagnética por meio do seu confinamento, decorrente da reflexão total dessas radiações entre o núcleo e a casca da fibra. Há vários tipos de fibras ópticas, a figura representa um deles.
Três fatores são relevantes para o estudo desse tipo de fibra óptica: o ângulo de recepção, αr, igual à metade do ângulo do cone de captação, o índice de refração do núcleo, nn, e o índice de refração da casca, nc. Neste caso, são dados: αr = 48,6º; nn = 1,50 e nc = 1,30.
a)
Faça no caderno de respostas a figura de um raio de luz que incida na fibra dentro do cone de captação e que se reflita pelo menos duas vezes na superfície interior da casca.
Resposta Raio com reflexões internas sucessivas
b)
Determine o ângulo máximo de refração na face de entrada da fibra, para o qual não haja emergência da luz para a casca (a fibra está imersa no ar; nar = 1,00). Dado: sen 48,6º = 0,750; a resposta pode ser dada pelo arco-seno do ângulo pedido.
Resposta 30°.
Resolução comentada
a) O raio entra no núcleo, refrata e percorre um caminho em zigue-zague, com ângulos de incidência nas paredes superiores ao ângulo limite núcleo–casca.
b) Para a borda do cone de captação, Snell dá $$1\cdot\sin48{,}6°=1{,}50\sin r.$$
Como sen48,6°=0,750, senr=0,50 e r=30°.
Resposta: a) Raio com reflexões internas sucessivas; b) 30°.
Q15
Eletromagnetismo — Campo magnético — Espira de motor elétrico
A figura mostra uma espira retangular imersa em um campo magnético uniforme, elemento básico de um motor elétrico de corrente contínua.
O plano da espira é paralelo ao vetor campo magnético, . A extremidade da espira junto ao ponto D está ligada ao pólo positivo da bateria e a extremidade B ao pólo negativo; a corrente percorre o circuito no sentido de D para B. São dados: – intensidade da corrente que percorre a espira: i = 0,80 A; – resistência do fio no trecho DCAB: R = 2,5 Ω; – módulo do vetor campo magnético: B = 0,50 T; – comprimento dos lados da espira: AB = CD = 0,050 m. Determine:
a)
a diferença de potencial entre os pontos D e B.
Resposta 2,0 V
b)
o módulo da força magnética que atua em um dos lados, AB ou CD.
Resposta 0,020 N.
Resolução comentada
a) A tensão no trecho resistivo é $$U=Ri=2{,}5\cdot0{,}80=2\ \text{V}.$$
b) Os lados AB e CD são perpendiculares ao campo.
A força em cada um vale $$F=Bi\ell=0{,}50\cdot0{,}80\cdot0{,}050=0{,}020\ \text{N},$$ com sentidos opostos.
