UEL 2023 — questão 18 de Física

Enunciado em texto
Em 2008, um pároco de Paranaguá, suspenso por uma cadeira com cerca de mil balões de gás hélio (He), morreu após conseguir elevar-se até cair no mar. Não foi o primeiro “padre voador”. Em 1709, a partir da observação de uma chama, o Padre Bartolomeu de Gusmão, inferiu que o ar aquecido poderia alçar às alturas pequenos corpos sólidos. Em 1783, os franceses Joseph Michel e Jacques Etienne Montgolfier, usando o mesmo princípio, desenvolveram o balão tripulado.
Supondo um balão de festa contendo gás He com uma massa de 20 gramas e volume de 0,2 m, assinale a alternativa que apresenta, corretamente, a massa mínima de um objeto que se deve prender ao balão para ele não subir.
Dados: g = 10m/s e densidade do ar = 1 kg/m
a) 0,12 Kg.
b) 0,15 Kg.
c) 0,18 kg.
d) 0,20 Kg.
e) 1,00 Kg.
(Enunciado: Vestibular UEL 2023, 1ª fase — COPS/UEL.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Universidade Estadual de Londrina (UEL) e à sua Coordenadoria de Processos Seletivos (COPS/UEL).
Resolução comentada
O que a questão pede: a menor massa que, presa ao balão, impede que ele suba.
Passo 1 — o empuxo do ar. O balão desloca 0,2 m³ de ar; pelo princípio de Arquimedes, o ar o empurra para cima com uma força igual ao peso desse ar:
Passo 2 — o peso do balão (borracha + hélio): 20 g = 0,020 kg.
Sobra uma força resultante para cima de 2 − 0,2 = 1,8 N. É isso que o objeto tem de compensar.
Passo 3 — a massa mínima. No limite, o conjunto fica em equilíbrio: empuxo = peso total.
Com uma massa um pouco maior que essa, o balão não sobe. (Desprezamos o volume do próprio objeto, que também receberia um empuxo pequenino.)
⚠️ A armadilha: esquecer o peso do próprio balão e igualar o empuxo só ao peso do objeto: daria 0,20 kg (alternativa D). Os 20 g do balão já “ajudam” a segurá-lo.
A ideia em uma frase: o balão sobe porque o empuxo do ar supera o peso dele; o objeto preso só precisa cobrir a diferença.
Resposta: alternativa C (0,18 kg).
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.
Prefere navegar prova por prova? Abra esta questão no Filatte Resolve.