ITA 2010 — questão 2 de Física

Enunciado em texto
Considere a Terra como uma esfera homogênea de raio que gira com velocidade angular uniforme em torno do seu próprio eixo Norte-Sul. Na hipótese de ausência de rotação da Terra, sabe-se que a aceleração da gravidade seria dada por . Como , um corpo em repouso na superfície da Terra na realidade fica sujeito forçosamente a um peso aparente, que pode ser medido, por exemplo, por um dinamômetro, cuja direção pode não passar pelo centro do planeta. Então, o peso aparente de um corpo de massa em repouso na superfície da Terra a uma latitude é dado por
[Figura: circunferência (a Terra) com o eixo vertical N–S e uma seta curva em volta do eixo, perto do polo N; uma reta horizontal marcada “Equador”; um raio desenhado; um ponto na superfície, no hemisfério norte, ligado ao centro por um segmento tracejado que forma o ângulo com o Equador.]
A) .
B) .
C) .
D) .
E) .
(Enunciado e figura: Vestibular ITA 2010, prova de Física — ITA.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA).
Resolução comentada
O que a questão pede: o valor que o dinamômetro marca para um corpo parado na superfície, na latitude .
Passo 1 — o corpo “parado” faz um círculo. Visto de fora da Terra, ele gira junto com ela num círculo de raio (a distância até o eixo), com aceleração centrípeta horizontal, apontando para o eixo:
Passo 2 — o que o dinamômetro mede. Sobre o corpo agem a atração (para o centro da Terra) e a força do dinamômetro. Pela 2ª lei, . O peso aparente é a força que o corpo faz no dinamômetro, :
Passo 3 — o ângulo entre e . aponta para o centro; aponta para o eixo, paralela ao Equador. O ângulo entre elas é a latitude . Pela lei dos cossenos:
Com , os dois termos novos têm :
Passo 4 — pôr em evidência. Chamando :
Que é exatamente a (D).
Conferindo nos casos-limite: no polo (), e : o corpo está no eixo e não gira. No Equador (), a raiz vira e , o resultado clássico (a centrípeta inteira “desconta” do peso).
Por que não as outras: a (A) acerta só no Equador e no polo; no meio ela trata como se fosse paralela a (e nem a projeção radial seria , seria ). A (B), a (C) e a (E) usam : dariam a redução máxima no polo, onde não há rotação nenhuma, e nenhuma redução no Equador. A (C) ainda tem o sinal trocado dentro do colchete.
⚠️ A armadilha: confundir latitude com o ângulo medido a partir do eixo e trocar cosseno por seno, caindo na (E). O raio do círculo descrito é : máximo no Equador, zero no polo.
A ideia em uma frase: o peso aparente é ; como a centrípeta aponta para o eixo e vale , a lei dos cossenos dá o efeito em .
Resposta: alternativa D.
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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