FUVEST 2023 (2ª fase) — questão 1 de Física

Enunciado em texto
Usinas hidrelétricas convertem energia mecânica em energia elétrica, que depois é transportada por linhas de transmissão até residências, indústrias etc.
a) A potência aproximada da usina hidrelétrica de Itaipu, a maior do Brasil, é de 15 GW. A potência dissipada por um aparelho de TV em modo de espera (stand by) é de cerca de 6 W. Supondo que, em média, cada um dos cerca de 75 milhões de domicílios brasileiros tenha 1 aparelho de TV em modo de espera, que percentagem da potência de Itaipu é consumida apenas para manter TVs brasileiras nesse modo?
b) Uma versão simples de usina hidrelétrica utiliza a queda livre da água para girar uma turbina. Supondo que a água inicie, praticamente do repouso, uma queda de 20 m até a turbina, com que velocidade a água atinge a turbina?
c) O impulso da água faz girar a turbina, que por sua vez aciona um gerador. A presença de um campo magnético no gerador em movimento leva ao surgimento de uma força eletromotriz que varia no tempo. Após o transporte da eletricidade até uma residência, o gráfico da força eletromotriz tem o aspecto mostrado na figura ao lado.
Se conectarmos à tomada da residência um ferro de passar com um resistor ôhmico de , qual será a máxima corrente elétrica que percorrerá o resistor do ferro durante sua operação?
(Gráfico: fem (em V) no eixo vertical, de −200 a 200, com marcas em −200, −100, 0, 100 e 200 e linhas de grade a cada 20 V; t (em segundos) no eixo horizontal, de 0,00 a 0,10, com marcas a cada 0,02. A curva é uma senoide que começa no máximo em t = 0 e oscila entre +180 V e −180 V, completando 6 ciclos entre 0 e 0,10 s.)
Note e adote: Despreze a resistência do ar e adote o valor de para a aceleração da gravidade.
(Enunciado e figura: Vestibular FUVEST 2023, 2ª fase — Fuvest/USP.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à FUVEST.
Resolução comentada
O que a questão pede: (a) que fração da potência de Itaipu vai embora só com TVs em stand by; (b) a velocidade da água depois de cair 20 m; (c) a corrente máxima num ferro de 40 Ω ligado à tomada do gráfico.
Item (a) — somar as TVs. São 75 milhões de aparelhos, cada um gastando 6 W:
Agora comparamos com os 15 GW de Itaipu:
Ou seja, 450 MW: 3% da maior usina do país só para manter a luzinha vermelha das TVs acesa.
Item (b) — queda livre. Sem resistência do ar, a energia potencial da água vira energia cinética:
Item (c) — a fem máxima. Pelo gráfico, a fem oscila entre +180 V e −180 V (o pico fica entre as linhas de 100 e 200 V, na quarta linha de grade acima de 100). Como o resistor é ôhmico, a corrente acompanha a tensão a cada instante, ; a corrente é máxima quando a fem é máxima:
Conferindo: o gráfico tem 6 ciclos em 0,10 s, ou seja, período de 1/60 s (60 Hz), e pico de 180 V, que corresponde a um valor eficaz de V: é exatamente a tomada de 127 V da rede brasileira.
⚠️ A armadilha: no item (c), usar a tensão “da tomada” (127 V) e achar cerca de 3,2 A: isso é a corrente eficaz. A questão pede a corrente máxima, que sai do pico do gráfico. No item (a), cuidado com os prefixos: 15 G = ; quem esquece um fator de mil acha 3000% ou 0,003%.
A ideia em uma frase: potência total é potência de cada aparelho vezes o número de aparelhos; na queda livre, ; e num resistor ôhmico a corrente máxima vem da fem máxima, lida no pico do gráfico.
Resposta: (a) 3% ( W de W); (b) 20 m/s; (c) A.
Vídeo em breve
A resolução em vídeo desta questão ainda não foi gravada. A explicação escrita acima está completa, passo a passo. Novos vídeos saem no canal do Professor Filatte.
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