UFJF 2022 (PISM, Módulo III) — questão 1 de Física

Enunciado em texto
Um observador dentro de um vagão, que está se deslocando com velocidade constante para a direita em relação a um observador que se encontra fora do trem e em repouso em relação à Terra, observa a queda livre de uma esfera que estava inicialmente presa no teto do vagão a uma altura do piso do vagão (ver desenho abaixo). Como é de se esperar, a trajetória vista pelo observador que está em repouso em relação ao vagão, é uma linha vertical que vai desde o teto até o piso do vagão e o tempo de queda é igual a . Considerando a Terra como sendo um referencial inercial, e comparando com a velocidade da luz no vácuo, podemos afirmar que o tempo de queda medido pelo observador em será:
[Figura: à esquerda, o observador S, em pé sobre o chão, parado. À direita, sobre trilhos, o vagão aparece em duas posições: primeiro tracejado (posição anterior), com o observador S' dentro e a esfera (círculo tracejado) presa ao teto, com uma seta vertical para baixo e a altura H marcada entre o teto e o piso; depois, mais à direita, em traço cheio, com S' dentro e a esfera já no piso, ao fim de uma linha tracejada vertical, e a altura H marcada ao lado. Entre as duas posições, uma seta para a direita com o rótulo .]
A) igual ao tempo de queda medido por e esse fato independe da magnitude da velocidade do vagão.
B) maior que o tempo de queda medido por porque a trajetória vista pelo observador é uma parábola.
C) menor que o tempo de queda medido por se a razão é muito menor que 1.
D) maior que o tempo de queda medido por se a razão é muito próxima de 1.
E) menor que o tempo de queda medido por se a razão é muito próxima de 1.
(Enunciado e figura: PISM 2022 (UFJF), Módulo III, 2º dia — Universidade Federal de Juiz de Fora (COPESE).)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) e à sua Coordenação Geral de Processos Seletivos (COPESE).
Resolução comentada
O que a questão pede: comparar o tempo de queda medido pelo observador , de fora, com o medido por , dentro do vagão, levando em conta a relatividade.
Passo 1 — quem mede o tempo próprio. Para , a esfera sai do teto e chega ao piso no mesmo lugar do vagão: os dois eventos (largar e tocar o piso) acontecem na mesma posição do referencial dele. O intervalo medido por quem vê os dois eventos no mesmo lugar é o tempo próprio , o menor intervalo possível entre esses eventos.
Passo 2 — a dilatação do tempo. Para , os dois eventos acontecem em lugares diferentes (o vagão andou para a direita). Pela relatividade restrita, ele mede um intervalo maior:
Passo 3 — quando isso aparece. Se é muito menor que 1 (um trem real), é praticamente 1 e os dois tempos são, na prática, iguais. Se é próximo de 1, fica grande e mede um tempo de queda bem maior que . Alternativa D.
Conferindo com um número: para , : o tempo medido por é cerca de 67% maior.
Por que não as outras: A é a visão clássica (tempo absoluto), que só vale de forma aproximada para e falha quando se aproxima de . B atribui a diferença à forma parabólica da trajetória; na física clássica, a parábola vista de fora tem a mesma duração da queda vertical vista de dentro, e o efeito real é a dilatação do tempo. C e E dizem “menor”, mas o tempo próprio é sempre o menor; quem está fora nunca mede menos.
Um detalhe do enunciado: o tempo de queda escrito no caderno, , não tem unidade de tempo (tem unidade de velocidade). O correto, para quem parte do repouso, é , que sai de . Isso não muda a resposta, que só compara os dois tempos.
⚠️ A armadilha: a alternativa E, achando que quem “vê o vagão passar” vê tudo acontecer mais depressa. É o contrário: os relógios em movimento em relação a atrasam, e ele vê o processo durar mais.
A ideia em uma frase: o tempo próprio é medido por quem vê os dois eventos no mesmo lugar; qualquer outro observador inercial mede um intervalo maior, e a diferença só fica notável com próximo de .
Resposta: alternativa D (maior, se é muito próximo de 1).
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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