UNIFESP 2018 — questão 12 de Física

Enunciado em texto
Dois corpos, A e B, de massas 10 kg e 8 kg, respectivamente, cinco polias e dois fios constituem um sistema em equilíbrio, como representado na figura. O corpo A está parcialmente mergulhado na água, com 40 cm de sua altura imersos e com sua base inferior paralela ao fundo do recipiente e ao nível da água.
(Figura: duas hastes inclinadas presas ao teto sustentam, cada uma, duas polias fixas: à esquerda, uma polia alta e outra mais baixa, à direita dela; à direita, uma polia alta e outra mais baixa, à esquerda dela. Um fio sai do topo de A (lado esquerdo), sobe até a polia alta da esquerda, passa por cima dela, segue na horizontal até a polia alta da direita, desce pelo lado direito, contorna por baixo uma polia móvel, sobe até a polia baixa da direita, segue na horizontal até a polia baixa da esquerda e desce de novo até o topo de A (lado direito). O outro fio liga o eixo da polia móvel ao corpo B, que fica suspenso. O corpo A, em forma de bloco, está num recipiente com água, com a base inferior 40 cm abaixo da superfície da água e a parte de cima fora dela.)
Adotando , densidade da água igual a e considerando que os fios e as polias sejam ideais e que o teto seja paralelo ao solo horizontal, calcule:
a) a diferença entre as pressões, em Pa, às quais estão submetidas as bases superior e inferior do corpo A.
b) o volume do corpo A, em , que se encontra abaixo da superfície da água.
(Enunciado e figura: Vestibular Unifesp 2018, Conhecimentos Específicos — Unifesp/Vunesp.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Universidade Federal de São Paulo (Unifesp) e à Fundação VUNESP.
Resolução comentada
O que a questão pede: (a) quanto a pressão na base de baixo de A supera a pressão na base de cima; (b) o volume de A que está dentro da água.
Item (a) — a diferença de pressão. A base superior de A está fora da água, sob a pressão atmosférica . A base inferior está 40 cm abaixo da superfície, sob mais a pressão da coluna de água (Stevin). A diferença é só essa coluna:
Item (b) — primeiro, a tração no fio. O fio que contorna as polias é um só, ideal, então tem a mesma tração T em todos os trechos. As quatro polias presas às hastes são fixas: só mudam a direção do fio. A polia de baixo, à direita, é móvel: está pendurada por dois trechos do fio e sustenta B. No equilíbrio de B e dessa polia:
Passo 2 — o equilíbrio de A. Os dois extremos do fio estão presos em A, então ele é puxado para cima por 2T = 80 N. Também para cima age o empuxo E; para baixo, o peso de A, 100 N:
Passo 3 — o volume imerso, pelo princípio de Arquimedes (o empuxo é o peso da água deslocada):
Conferindo: o empuxo é exatamente a força que nasce da diferença de pressão do item (a) agindo na área S da base: . Então m², e o volume imerso é m³. Os dois itens se confirmam.
⚠️ A armadilha: contar só um trecho de fio puxando A (T = 40 N): aí o empuxo daria 60 N e o volume, m³. Ou esquecer a polia móvel e pôr T = 80 N: A ficaria puxado por 160 N, mais que o próprio peso, e não haveria equilíbrio com empuxo para cima. No item (a), o erro comum é escrever 40 Pa, esquecendo de passar 40 cm para 0,40 m ou de multiplicar por .
A ideia em uma frase: polia móvel divide a carga entre dois trechos de fio, e o empuxo completa o que os fios não seguram — ele é a diferença de pressão entre as bases vezes a área.
Resposta: (a) Pa; (b) (empuxo de 20 N).
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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