ITA 2015 — questão 11 de Física

Enunciado em texto
Constantes dadas na prova: … Aceleração da gravidade: .
A figura mostra um dispositivo para medir o módulo de elasticidade (módulo de Young) de um fio metálico. Ele é definido como a razão entre o força por unidade de área da seção transversal do fio necessária para esticá-lo e o resultante alongamento deste por unidade de seu comprimento. Neste particular experimento, um fio homogêneo de 1,0 m de comprimento e 0,2 mm de diâmetro, fixado numa extremidade, é disposto horizontalmente e preso pela outra ponta ao topo de uma polia de raio . Um outro fio preso neste mesmo ponto, envolvendo parte da polia, sustenta uma massa de 1 kg. Solidário ao eixo da polia, um ponteiro de raio acusa uma leitura de 10 mm na escala semicircular iniciada em zero. Nestas condições, o módulo de elasticidade do fio é de
[Figura: à esquerda, uma parede; dela sai, na horizontal, o fio que chega ao topo de uma polia de raio . Pelo lado direito da polia desce o outro fio, que sustenta um bloco de 1 kg. Preso ao eixo da polia, um ponteiro de comprimento aponta para cima, sobre uma escala semicircular graduada em mm de 0 (no alto) a 90 (à direita), com marcas de 10 em 10; o ponteiro está sobre a marca 10.]
A) .
B) .
C) .
D) .
E) .
(Enunciado e figura: Vestibular ITA 2015, 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 módulo de Young do fio, a partir da força que o estica e do alongamento indicado pelo ponteiro.
Passo 1 — a força no fio. A polia gira livre em torno do eixo; em equilíbrio, os momentos em relação ao eixo se anulam. O fio horizontal puxa no topo (braço r) e o fio do bloco puxa pelo lado (braço r também):
Passo 2 — o alongamento. O ponteiro gira junto com a polia, então o arco que a ponta dele percorre é proporcional ao raio. A ponta (raio R = 10r) andou 10 mm; a borda da polia (raio r), onde o fio está preso, andou 10 vezes menos:
Esse é o quanto o fio se esticou.
Passo 3 — a área da seção. Diâmetro 0,2 mm, raio 0,1 mm = 10⁻⁴ m:
Passo 4 — o módulo de Young.
⚠️ A armadilha: usar o diâmetro no lugar do raio na área. Com r = 0,2 mm, a área fica 4 vezes maior e o resultado 4 vezes menor: , a alternativa D. Outro tropeço é tomar os 10 mm da escala como o alongamento, esquecendo que o ponteiro amplia o movimento 10 vezes.
A ideia em uma frase: o ponteiro amplia o alongamento na razão R/r; descontada essa ampliação, Y = (F/A)/(ΔL/L).
Resposta: alternativa 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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