PUC-SP 2017 (inverno) — questão 18 de Física

Enunciado em texto
Quando necessário, adote:
módulo da aceleração da gravidade: ; calor latente de vaporização da água: ; calor específico da água: ; densidade da água: ; constante universal dos gases ideais: ; massa específica do ar: ; massa específica da água do mar: ; 1cal = 4,0 J
Uma esfera de massa 1000g encontra-se em equilíbrio estático quando suspensa por uma mola ideal que está presa, por uma de suas extremidades, ao teto de um elevador que executa um movimento de ascensão com velocidade constante de módulo . Quando o botão de emergência é acionado, o elevador para subitamente e, então, o sistema mola+esfera passa a oscilar em MHS com amplitude de 10cm. Determine, em unidades do SI, a constante elástica da mola. Despreze a resistência do ar durante a oscilação.
Adote:
[Foto: interior de um elevador com uma esfera branca pendurada no teto por uma mola.]
(A) 425
(B) 450
(C) 475
(D) 500
(Enunciado e figura: Vestibular PUC-SP 2017 (Inverno) — PUC-SP.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Pontifícia Universidade Católica de São Paulo (PUC-SP).
Resolução comentada
O que a questão pede: a constante elástica k, a partir da velocidade no momento da parada e da amplitude do MHS.
Passo 1 — o estado no instante da parada. Com o elevador em velocidade constante, a esfera está em equilíbrio: a mola está esticada de . Quando o elevador para, a esfera continua subindo a 2 m/s em relação a ele, partindo da posição de equilíbrio.
Passo 2 — a física correta. Numa mola vertical, o peso só desloca o centro da oscilação: o MHS acontece em torno da posição de equilíbrio (mola esticada de ), com . A esfera passa pelo centro com a velocidade máxima, :
Esse valor não está entre as alternativas.
Passo 3 — de onde sai a resposta da banca. O “adote ” denuncia o raciocínio esperado: tratar a deformação da mola como se fosse o afastamento em relação ao centro da oscilação (isto é, centrar o MHS na mola relaxada). Aí a amplitude sairia de :
Atenção: a questão tem defeito. Esse modelo ignora que o peso desloca o ponto de equilíbrio da mola vertical; com a física correta, a esfera começa no centro do MHS e k = 400 N/m, que não aparece. A alternativa A (425) é a mais defensável: é a que o enunciado pretende (o dado só serve para ela) e é também a mais próxima do valor correto.
⚠️ A armadilha: além do erro do próprio enunciado, esquecer de passar a amplitude para metros (10 cm = 0,10 m) ou a massa para kg (1 000 g = 1 kg).
A ideia em uma frase: no MHS, a velocidade no centro é ωA; numa mola vertical, o centro é a posição de equilíbrio com o peso, não a mola relaxada.
Resposta: alternativa A (425 N/m, valor pretendido pela banca; a física correta dá 400 N/m).
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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