UNICAMP 2020 (2ª fase) — questão 12 de Física

Enunciado em texto
Um densímetro de posto de combustível, usado para analisar o etanol, consiste de um tubo de vidro que fica parcialmente submerso no etanol. O peso do tubo é fixo, de forma que o volume do tubo que fica submerso depende da densidade do etanol. Uma escala na parte superior do tubo indica o valor da densidade medida.
a) O etanol combustível é hidratado, ou seja, contém uma porcentagem de água. A figura ao lado ilustra duas medidas de densidade de etanol. A primeira é de uma amostra de etanol hidratado dentro da especificação, cujo valor é g/cm³. Nessa medida, o volume submerso do densímetro é . A segunda medida, realizada com o mesmo densímetro, é de uma amostra fora da especificação e, nesse caso, o volume submerso do densímetro é . A diferença dos volumes submersos é de 10% de , ou seja, . Qual é a densidade da segunda amostra?
(Figura: duas provetas com etanol e o mesmo densímetro flutuando em cada uma. À esquerda, “etanol dentro da especificação, g/cm³”: o densímetro afunda mais, e a parte submersa é indicada por . À direita, “etanol fora da especificação”: o densímetro fica mais alto, a parte submersa é indicada por , e o trecho a mais que ficou fora do líquido, entre os dois níveis (linha tracejada), é indicado por .)
b) Num posto de combustível, a gasolina é bombeada do reservatório subterrâneo até o tanque do veículo, numa altura m acima do nível superior do reservatório. A gasolina, que é sempre retirada da parte superior do reservatório, encontra-se inicialmente parada e é despejada no tanque do veículo a uma velocidade m/s. Qual é o aumento da energia mecânica da gasolina proporcionado pela bomba ao encher um tanque de volume litros?
Dado: g/cm³.
(Enunciado e figura: Vestibular Unicamp 2020, 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 densidade da amostra fora da especificação, comparando o quanto o mesmo densímetro afunda nas duas; (b) quanta energia mecânica a bomba entrega a 40 litros de gasolina.
Atenção: o enunciado impresso diz que, na primeira medida, o volume submerso é “”; é erro de digitação. Pela figura e pela relação , na primeira medida o volume submerso é , e é assim que a banca resolve.
Item (a) — o empuxo é o mesmo nas duas medidas. O densímetro flutua em equilíbrio, então o empuxo equilibra o peso do tubo, que é fixo. Logo o empuxo é igual nos dois casos:
Como :
Faz sentido: no líquido mais denso o densímetro afunda menos (a amostra tem água demais, e a água é mais densa que o etanol).
Item (b) — a massa de gasolina. Com g/cm³ kg/m³ e L m³:
Item (b) — o aumento da energia mecânica. A gasolina sai parada do nível do reservatório e chega 3,0 m acima com 0,8 m/s. Ela ganha energia potencial gravitacional e energia cinética. Usamos m/s², valor adotado pela banca:
Atenção: a resposta esperada da banca escreve a parcela cinética como 9,4 J e o total como 909,4 J; é um deslize de conta (). O valor correto é 909,6 J, ou cerca de 910 J.
⚠️ A armadilha: no item (a), achar que mais volume submerso significa líquido mais denso. É o contrário: o empuxo tem que ser o mesmo, então, se o volume submerso cai 10%, a densidade tem que subir na proporção . Fazer g/cm³ ou g/cm³ está errado. No item (b), esquecer a energia cinética (pequena, mas pedida).
A ideia em uma frase: densímetro flutuando tem empuxo igual ao peso fixo, então densidade vezes volume submerso é constante; a bomba dá à gasolina energia potencial e cinética.
Resposta: (a) g/cm³; (b) J.
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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