UNICAMP 2009 (2ª fase) — questão 4 de Física

Enunciado em texto
A piezeletricidade também é importante nos relógios modernos que usam as vibrações de um cristal de quartzo como padrão de tempo e apresentam grande estabilidade com respeito a variações de temperatura.
a) Pode-se utilizar uma analogia entre as vibrações de um cristal de massa m e aquelas de um corpo de mesma massa preso a uma mola. Por exemplo: a freqüência de vibração do cristal e a sua energia potencial elástica também são dadas por e , respectivamente, onde k é a propriedade do cristal análoga à constante elástica da mola e é o análogo da sua deformação. Um cristal de massa m = 5,0 g oscila com uma frequência de 30 kHz. Usando essa analogia, calcule a energia potencial elástica do cristal para . Utilize π = 3.
b) Em 1582, Galileu mostrou a utilidade do movimento pendular na construção de relógios. O período de um pêndulo simples depende do seu comprimento L. Este varia com a temperatura, o que produz pequenas alterações no período. No verão, um pêndulo com L = 90 cm executa um certo número de oscilações durante um tempo t = 1800 s. Calcule em quanto tempo esse pêndulo executará o mesmo número de oscilações no inverno, se com a diminuição da temperatura seu comprimento variar 0,20 cm, em módulo. Para uma pequena variação de comprimento , a variação correspondente no tempo das oscilações é dada por . Assim, pode ser positivo ou negativo, dependendo do sinal de .
(Enunciado: Vestibular Unicamp 2009, 2ª fase — Comvest/Unicamp.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à UNICAMP.
Resolução comentada
O que a questão pede: (a) a energia potencial elástica do cristal, achando antes a sua “constante elástica” k pela frequência; (b) o tempo das mesmas oscilações no inverno, quando o pêndulo encolhe 0,20 cm.
Item (a) — passo 1: k a partir de f. Elevando ao quadrado, . Com π = 3, f = 3,0 × 10⁴ Hz e m = 5,0 × 10⁻³ kg:
Item (a) — passo 2: a energia. Δx = 0,020 μm = 2,0 × 10⁻⁸ m:
Item (b) — o sinal de ΔL. No frio, o pêndulo se contrai: ΔL = −0,20 cm. Pela fórmula dada:
Faz sentido: pêndulo mais curto oscila mais depressa, então faz as mesmas oscilações em menos tempo. (Um relógio de pêndulo adianta no inverno.)
⚠️ A armadilha: no item (b), somar os 2 s (1802 s), esquecendo que o comprimento diminui no inverno. No item (a), esquecer de converter 5,0 g para kg ou 30 kHz para Hz.
A ideia em uma frase: pela analogia com a mola, k = 4π²f²m e E = kΔx²/2; e o pêndulo que encolhe no frio oscila mais rápido.
Resposta: (a) J (com N/m); (b) 1798 s (2,0 s a menos).
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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