FFÍ S Í SI C I CAA Questão 01 pressão O ciclo Diesel, representado na figura abaixo, corresponde ao que ocorre num motor Diesel de quatro tempos: o trecho AB representa a compressão adiabática da mistura de ar e vapor de óleo Diesel; BC representa o aquecimento a pressão constante, permitindo que o combustível injetado se inflame sem necessidade de uma centelha de ignição; CD é a expansão adiabática dos gases aquecidos movendo o pistão e DA simboliza a queda de pressão associada à exaustão dos gases da combustão. A mistura é tratada como um gás ideal de coeficiente adiabático γ . Considerando que TA , TB , TC e TD representam as temperaturas, respectivamente, nos pontos A , B , C e D , mostre que o rendimento do ciclo Diesel é dado por: 1 ⎛ T − TA ⎞ η = 1− ⎜ D ⎟ γ ⎝ TC − TB ⎠ B C D A volume Resolução: Sendo A → B e B → C adiabáticas o calor deve ser absorvido em BC ( QBC ) e cedido em DA ( QDA ) . Assim, η =1− QDA QBC QDA = ηCv (TA − TD ) isovolumétrica e QBC = ηCp (TC − TB ) Questão 02 Um corpo de 500 g de massa está inicialmente ligado a uma mola. O seu movimento é registrado pelo gráfico abaixo, que mostra a aceleração em função da posição, a partir do ponto em que a mola se encontra com a compressão máxima. A abscissa x = 0 corresponde à posição em que a deformação da mola é nula. Nesta posição, o corpo foi completamente liberado da mola e ficou submetido à aceleração registrada no gráfico. Determine: a(m/s²) -0,5 2,0 4,0 6,0 8,0 x(m) a) a variação da quantidade de movimento nos 2 s após o corpo ser liberado da mola; b) o trabalho total realizado desde o começo do registro em x = −0,5 m até x = 3 m . Resolução: a) 1) Cálculo da velocidade com que o corpo abandona a mola; a = − A ⋅ w2 ⋅ cos ( wt ) ∴ 50 = − ( −0,5 ) w2 cos 0 w = 10 rad / s Logo, a velocidade final foi: v f = − A ⋅ w ⋅ sen ( wt ) v f = − ( −0,5 ) ⋅ 10 ⋅ 1 = 5 m / s Partindo dessa velocidade e com a = −4 m / s 2 : Em x = 2 m : v '2 = v 2f + 2aΔs ∴ v ' = 3 m / s e calculando t ' : v ' = v f + at ∴ t = 0,5 s (após isso temo MU) Assim: ΔQ = m ⋅ Δv = m ⋅ ( v '− v f ) = 0,5 ( 3 − 5 ) ΔQ = −1 kg ⋅ m / s b) i) Trabalho da forca elástica: 2 kx 2 mv f 0,5 ⋅ 52 = = = 6, 25J τe = 2 2 2 ii) Trabalho da força constante: τ F = F ⋅ d = m ⋅ a ⋅ d = 0,5 ⋅ ( −4 ) ⋅ 2 = −4 J Somando i) e ii): τ R = τ e + τ F = 6, 25 − 4 = 2, 25 J Questão 03 Um raio luminoso incide ortogonalmente no ponto central de um espelho plano quadrado MNPQ , conforme a figura abaixo. Girando-se o espelho de um certo ângulo em torno da aresta PQ , consegue-se que o raio refletido atinja a superfície horizontal S paralela ao raio incidente. Com a seqüência do giro, o ponto de chegada em S aproxima-se da aresta PQ . No ponto de chegada em S que fica mais próximo de PQ está um sensor que, ao ser atingido pelo raio refletido, gera uma tensão elétrica U proporcional à distância d entre o referido ponto e aquela aresta: U = k ⋅ d . Fixando o espelho na posição em que a distância d é mínima, aplica-se a tensão U aos terminais A e B do circuito. Dado que todos os capacitores estão inicialmente descarregados, determine a energia que ficará armazenada no capacitor C3 se a chave Y for fechada e assim permanecer por um tempo muito longo. Dados: comprimento PQ = 6 m ; constante k = 12 V / m . N M Q S P 6W A B 4W 6mF 12W 6mF 2 C3= 4mF Resolução: a/2 a 3 , mas senθ = cos θ = →d = d 2cos θ a Então 3 d= 2 ⋅ senθ ⋅ cosθ Para que d seja mínimo, 2 ⋅ senθ ⋅ cos θ = senθ Deverá ser máximo, então θ = 45º . Para d = 3 m com U = k ⋅ d , temos: M q q 3m d q P d S U = 12 ⋅ 3 U = 36 V Temos o circuito: 6W A 36V B C 6mF D D 12W 6mF 4W B 36 = 9 ⋅ i i=4A C B i C3= 4mF B 6W A 36V B D 10mF 3W B B 6mF C B U CB = 3 ⋅ i U CB = 12 V U CD + U DB = 12 6U CD = 10U DB 5 U CD = U DB 3 36 U DB = V 8 U DB = 4,5 V Logo: EP = 2 C3 ⋅ U DB 2 4 × 10−6 2 ⋅ ( 4,5 ) 2 EP = 4,05 × 10−5 J EP = Questão 04 Para ferver dois litros de água para o chimarrão, um gaúcho mantém uma panela de 500 g suspensa sobre a fogueira, presa em um galho de árvore por um fio de aço com 2 m de comprimento. Durante o processo de aquecimento são gerados pulsos de 100 Hz em uma das extremidades do fio. Este processo é interrompido com a observação de um regime estacionário de terceiro harmônico. Determine: a) o volume de água restante na panela; b) a quantidade de energia consumida neste processo. Dados: massa específica linear do aço = 10−3 kg / m ; aceleração da gravidade ( g ) = 10 m / s 2 ; massa específica da água = 1kg / L ; calor latente de vaporização da água = 2, 26 MJ / kg . 3 Resolução: a) Pela freqüência estacionária calcular a tração no fio: 3λ 4 A= ∴λ = e 2 3 v= T μ =λ⋅ f ∴ l 2 l 2 l 2 T 4 = ⋅ 102 10−3 3 160 N 9 Estando a panela em equilíbrio temos também: P =T 160 16 mg = ∴m = kg 9 9 ∴T = T P Em que m é a massa total do conjunto água mais planeta ( m p ) , P =T 16 23 = m p + 0,5 ∴ m p = = 1,3 kg 9 18 Daí, m 1,3 kg Vp = = = 1,3 L e água. d 1 kg / L Foi fornecida energia para evaporar 0,7 kg de água: b) QL = m ⋅ L = 0,7 ⋅ 2, 26 = 1,6 MJ Questão 05 Uma partícula parte do repouso no ponto A e percorre toda a extensão da rampa ABC , mostrada na figura abaixo. A equação que descreve a rampa entre os pontos A , de coordenadas ( 0, h ) e B , de coordenadas ( h, 0 ) , é x2 − 2x + h h enquanto entre os pontos B e C , de coordenadas ( h, 2r ) , a rampa é descrita por uma circunferência de raio r com centro no y= ponto de coordenadas ( h, r ) . Sabe-se que a altura h é a mínima necessária para que a partícula abandone a rampa no ponto C e venha a colidir com ela em um ponto entre A e B . Determine o ponto de colisão da partícula com a rampa no sistema de coordenadas da figura como função apenas do comprimento r . Dado: aceleração da gravidade = g . OBS: despreze as forças de atrito e a resistência do ar. y C g r h 0 B h x Resolução: Para a determinação da velocidade de lançamento em C , façamos conservação de energia: EMA = EMC mv 2 2 ∴ v 2 = 2 g ( h − 2r ) ( I ) mgh = mg 2r + No ponto C , para que h seja mínimo, a força peso deve ser a única componente centrípeta. Fcp = P v2 = mg ∴ v = g ⋅ r ( II ) r Substituindo ( II ) em ( I ) temos: m ( g ⋅r ) 2 = 2 g ( h − 2r ) ∴ gr = 2 g ( h − 2r ) ∴ h = 5r 2 4 Montando as equações paramétricas do lançamento horizontal em C , temos: x = h − gr ⋅ t h A g y = 2r − ⋅ t 2 2 E para a equação da trajetória: v P 2 y = 2r − C g ⎛h−x⎞ 1 ⎛ 5r ⎞ ⋅⎜ ⎟ ou y = 2r − ⋅ ⎜ − x ⎟ 2r ⎝ 2 2 ⎜⎝ gr ⎟⎠ ⎠ 2 y0 ( III ) 0 x0 x B Fazendo a intersecção dessa trajetória com a parábola da equação: x2 2x2 5r y= − 2x + h = − 2x + ( IV ) h 5r 2 Temos de ( III ) e ( IV ) 2r − ⎞ 2x2 1 ⎛ 25r 2 5r − 5rx + x 2 ⎟ = − 2x + ⎜ 2r ⎝ 4 5 r 2 ⎠ Que dá como resultado cabível: ⎧ 15 − 4 5 ⎪ x0 = r ≈ 1,01r ⎨ 6 ⎪ ⎩ y0 = 0,89r ( ) Questão 06 Considere duas barras condutoras percorridas pelas correntes elétricas i1 e i2 , conforme a figura abaixo. A primeira está rigidamente fixada por presilhas e a segunda, que possui liberdade de movimento na direção vertical, está presa por duas molas idênticas, que sofreram uma variação de 1, 0 m em relação ao comprimento nominal. Sabendo-se que i1 = i2 e que o sistema se encontra no vácuo, determine: a) o valor das correntes para que o sistema permaneça estático; b) a nova variação de comprimento das molas em relação ao comprimento nominal, mantendo o valor das correntes calculadas no pedido anterior, mas invertendo o sentido de uma delas. Dados: comprimento das barras = 1, 0 m ; massa de cada barra = 0, 4 kg ; distância entre as barras = 3, 0 m ; i1 3,0 m i2 constante elástica das molas = 0,5 N / m ; aceleração da gravidade ( g ) = 10 m / s 2 ; permeabilidade do vácuo μ0 = 4π ⋅10−7 T ⋅ m / A Resolução: Solução 1 a) Considerando que a mola está comprimida (já que também seria possível solução com a mola alongada) P = 2 Fe + Fm Fc Fm Fe P b) 3 0, 4 ⋅ 10 = 2 ⋅ 0,5 ⋅ 1 + B ⋅ i ⋅ A ∴ B = (com i = i1 = i2 ) i E, para o cálculo de i : μ ⋅i 3 3 ⋅ 2π ⋅ 3 ∴ i = 3 5 ⋅ 103 A i ≈ 5, 2 ⋅ 103 A B = 0 = ∴i2 = 2π ⋅ d i 4π ⋅ 10−7 Na nova condição, conforme a figura temos: 2 Fc = Fm + P 3m Fc Fe x 2 ⋅ 0,5 x = B '⋅ i ⋅ A + 4 x−4= μ0 ⋅ i 2 ⋅ (1) 2π ⋅ ( 4 + x ) ( x 2 − 16 = 2 ⋅ 10−7 ⋅ 3 5 ⋅ 103 Fm ) 0 2 ∴ x ≅ 8,6 m 5 P Solução 2 a) Considerando que a mola está alongada. P + 2 Fc = Fm b) Fc 5 0, 4 ⋅ 10 + 2 ⋅ 0,5 ⋅ 1 = B ⋅ i ⋅ A ∴ B = (com i = i1 = i2 ) i E, para o cálculo de i : μ ⋅i 5 3 ⋅ 2π ⋅ 5 ∴ i = 5 3 ⋅ 103 A i ≈ 8,7 ⋅ 103 A B = 0 = ∴ i2 = 2π ⋅ d i 4π ⋅ 10−7 Na nova condição, conforme a figura temos: 2 Fc = Fm + P Fm Fe P 3m 2 ⋅ 0,5 x = B '⋅ i ⋅ A + 4 x−4= μ0 ⋅ i 2 ⋅ (1) 2π ⋅ ( 4 + x ) −7 ( x − 16 = 2 ⋅ 10 ⋅ 5 3 ⋅ 10 2 Fc 3 ) Fe 0 x 2 ∴ x ≅ 5,6 m Fm P Questão 07 A figura ilustra uma barra de comprimento L = 2 m com seção reta quadrada de lado a = 0,1 m e massa específica ρ = 1, 20 g / cm3 , suspensa por uma mola com constante elástica k = 100 N / m . A barra apresenta movimento somente no eixo vertical y e encontra-se parcialmente submersa num tanque com líquido de massa específica ρ f = 1, 00 g / cm3 . Em um certo instante, observa-se que a mola está distendida de Δy = 0,9 m , que o comprimento da parte submersa da barra é Ls = 1, 6 m e que a velocidade da barra é v = 1 m / s no sentido vertical indicado na figura. Determine os comprimentos máximo mínimo ( Lmín ) da barra que ficam submersos durante o movimento. mola r L v Lg rf Dado: aceleração da gravidade ( g ) = 10 m / s 2 . OBS: despreze o atrito da barra com o líquido. Resolução: i) Cálculo de ( Lmáx ) : A partir de Ls o bloco desce no máximo Δx . Enquanto isso sua velocidade varia em v = 1 m / s até V f = 0 . mV 2 ρ ⋅ a 2 ⋅ L ⋅ V 2 1, 2 ⋅ 103 ⋅ ( 0,1) ⋅ 2 ⋅ 12 =− = = −12 J 2 2 2 Trabalhos realizados: I. Força peso: τ = m ⋅ g ⋅ Δx = 24 ⋅ 10 ⋅ Δx = 240Δx II. Empuxo: 2 ΔEc = 0 − e ef E = p ⋅ g ⋅ V f = 103 ⋅ 10 ⋅ ( 0,1) ⋅ L 2 e0 ∴ E = 10 ⋅ L E pelo gráfico: 2 τ E = − ( E0 + E ) ⋅ 1,6 Δx 2 102 ⋅ Δx ( 3, 2 + Δx ) E 2 III. Força elástica: τE = − k ⋅ Δy k ⋅ ( Δy − Δx ) k 2 − = ⎡ Δy 2 − ( Δy − Δx ) ⎤ ⎦ 2 2 2⎣ 2 = 50 ( −1,8Δx − Δx ) 2 τE = C ∴τ EC 6 1,6 + Dx ( Lmáx ) e Fazendo T.E.C.: ΔEc = ∑τ −12 = 240 ⋅ Δx − 50 ⋅ Δx ( 3, 2 + Δx ) + 50 ( −1,8Δx − Δx 2 ) 100Δx 2 + 10Δx − 12 = 0 ∴Δx = 0,3 m e Lmáx = Δx + Ls = 1,9 m . ii) Cálculo de Lmín : Como as forças são conservativas, na volta o bloco passa por Ls com a mesma velocidade v = 1 m / s e sobe até V f = 0 . ΔEC = −12 J Enquanto a partícula sobre Δx ' até parar, temos os seguintes trabalhos: I. Força peso: τ p = m ⋅ g ⋅ Δx ' = −240Δx ' II. Empuxo: Δx ' 102 = ⋅ Δx '⋅ ( 3, 2 − Δx ') 2 2 III. Força elástica: k ⋅ Δy 2 k k 2 2 τ Fe = − ( Δy − Δy ') = ⎡ Δy 2 − ( Δy − Δy ') ⎤ = 50 ⋅ (1,8Δx '− Δx 2 ) ⎦ 2 2 2⎣ Fazendo T.E.C.: ΔEc = ∑τ τ E = ( E0 + E ) ⋅ −12 = −240 ⋅ Δx '− 50 ⋅ Δx '⋅ ( 3, 2 − Δx ') + 50 ⋅ ( −1,8Δx '− Δx '2 ) 100Δx '2 − 10Δx '− 12 = 0 ∴Δx ' = 0, 4 m e Lmín = Ls − Δx ' = 1, 2 m Questão 08 Com o objetivo de medir o valor de uma carga elétrica negativa −Q1 de massa m , montou-se o experimento abaixo. A carga de valor desconhecido está presa a um trilho e sofre uma interação elétrica devido à presença de duas cargas fixas, equidistantes dela, e de valor positivo +Q2 . O trilho é colocado em paralelo e a uma distância p de uma lente convergente de distância focal f . A carga − −Q1 , inicialmente em repouso na posição apresentada na figura, é liberada sem a influência da gravidade, tendo seu movimento registrado em um anteparo que se desloca com velocidade v no plano da imagem de −Q1 fornecida pela lente. Em função de Q2 , A , d , p , f , v , m , λ e ε , determine: d d –Q1 y v +Q2 0 A p +Q2 Anteparo Lente Trilho λ a) a ordenada y inicial; b) o valor da carga negativa −Q1 . Dado: permissividade do meio = ε . OBS: considere d >> y , ou seja, d 2 + y 2 ≅ d 2 . 7 Resolução: a) Das equações de Gauss: 1 1 1 = + f p p' pf p' = p− f 1 i p' pf −A = ⇒ =− ⋅ O p y p− f p ∴y = b) y –A p A⋅( p − f ) p` f F1 = F2 = Q ⋅Q Q ⋅Q 1 ⋅ 1 2 ≅ 1 2 (1) 4πε ( d 2 + y 2 ) 4πε d 2 Por semelhança de triângulos: –Q1 FR 2 = y F2 F ≅ 22 2 2 d d +y FR y 2 y ⋅ F2 ( 2) d De (1) e ( 2 ) FR = FR = Q1 ⋅ Q2 v= λ T ∴T = d ⋅ y = k ⋅ y , em que y = Q1 ⋅ Q2 2πε d 3 (constante). λ v Lembrando que T = 2π λ +Q2 +Q2 2πε d Cálculo do período: 3 F2 F1 m (MHS): k m m λ2 ⇒ 2 = 4π 2 ⋅ Q1 ⋅ Q2 Q1 ⋅ Q2 v v 2πε d 3 2πε d 3 3 3 2 8π d ε v ∴ Q1 = λ 2Q2 = 2π ⋅ Questão 09 Um bloco de massa m = 5 kg desloca-se a uma velocidade de 4 m / s até alcançar uma rampa inclinada de material homogêneo, cujos pontos A e B são apoios e oferecem reações nas direções horizontal e vertical. A rampa encontra-se fixa e o coeficiente de atrito cinético entre o bloco e a rampa é igual a 0, 05 . Sabe-se que o bloco pára ao atingir determinada altura e permanece em repouso. Considerando que a reação vertical no ponto de apoio B após a parada do bloco seja de 89 N no sentido de baixo para cima, determine a magnitude, a direção e o sentido das demais reações nos pontos A e B . Dados: aceleração da gravidade ( g ) = 10 m / s 2 ; peso linear da rampa = 95 N / m . A Rampa 1,2 m v=4 m/s 90º B 1,6 m 8 Bloco 5 Kg Resolução: A subida do bloco: N = Py = P ⋅ cosθ = m ⋅ g ⋅ cosθ Px = P ⋅ senθ = m ⋅ g ⋅ senθ Fat = μ ⋅ N = μ ⋅ m ⋅ g ⋅ cosθ FR = Px + Fat = m ⋅ g ⋅ ( μ ⋅ cosθ + senθ ) d N Pelo Teorema da Energia Cinética: τ = FR ⋅ d ⋅ cos180º = m ⋅ g ⋅ ( μ ⋅ cosθ + senθ ) ⋅ h m⋅v ⋅ ( −1) = ΔEc = − senθ 2 2 h ⎛ μ ⎞ v2 + 1⎟ h = g⎜ 2 ⎝ tgθ ⎠ 2 42 0,8 ⋅ 15 v = = h= 16 ⎛ μ ⎞ ⎛ ⎞ 2g ⎜ + 1⎟ ⎜ 0,05 ⎟ tg θ ⎝ ⎠ 2 ⋅ 10 ⋅ ⎜ + 1⎟ ⎜ 3 ⎟ ⎝ 4 ⎠ h = 0,75 m ( altura atingida pelo bloco). Py Px θ θ Fat Equilíbrio da barra: ( AB ) 2 = 1,62 + 1, 22 = 4 AB = 2 m ( AB ) 2 Fa = 1,62 + 1, 22 = 4 F’a AB = 2 m F = mg = 50N 1,2 m P = 95 ⋅ 2 = 190 N JG A 0,75 m ' ' ' ⎪⎧ FB + FA = P + F ⇒ FA = 151 N ⎩ A = FB ∑ F = 0 ⇒ ⎨⎪ F P x ∑ M ( B ) = 0 ⇒ + P ⋅ 0,8 + F ⋅ x − FA' ⋅ 1,6 − FA ⋅ 1, 2 = 0 B Fa F’a = 39 N 1,6 m 1,6 = 1 m vem: 1, 2 190 ⋅ 0,8 + 50 ⋅ 1 − 151 ⋅ 1,6 − FA ⋅ 1, 2 = 0 Lembrando que x = 0,75 ⋅ FA = −33 N = FB Do exposto concluímos: i) em A a reação vertical tem a intensidade de 151 N e é para cima, já a horizontal é de 33 N e para a esquerda (contrária à orientação da figura). ii) em B a reação horizontal possui intensidade igual a 33 N e é para a direita. 9 Questão 10 Suponha que você seja o responsável pela operação de um canhão antiaéreo. Um avião inimigo está passando em uma trajetória retilínea, distante de sua posição, a uma altura constante e com velocidade v = 900 km / h . A imagem deste avião no seu aparelho de pontaria possui comprimento l = 5 cm , mas você reconheceu este avião e sabe que o seu comprimento real é L = 100 m . Ao disparar um projétil deste canhão, sua trajetória é retilínea a velocidade constante u = 500 m / s . No momento em que a aeronave se encontra perfeitamente ortogonal à linha de visada do aparelho de pontaria, determine: a) o desvio angular θ entre o aparelho de pontaria e o tubo do canhão para que você acerte o centro do avião ao disparar o gatilho com a aeronave no centro do visor; b) o aumento M do aparelho de pontaria; c) o tempo t até o projétil alcançar o centro do avião. OBS: considere que o aparelho de pontaria possa ser tratado como um telescópio de refração, conforme mostra a figura esquemática abaixo, constituído por apenas duas lentes convergentes, denominadas objetiva e ocular, cujas distâncias focais são, respectivamente, f1 = 10 cm e f 2 = 1 cm . Considere ainda que os ângulos α e β sejam pequenos. Objetiva Ocular 1 cm β f1 f2 α α f2 Raio de um objeto distante 10 cm Resolução: a) B 0 Posição em que o avião será atingido θ A Posição original do avião canhão desvio angular pedido O tempo gasto para o projétil ir de 0 até B é o mesmo que o avião gasta para ir de A até B , daí: AB 0B AB 0 B e u= v= (1) ⇒ = Δt Δt Δt Δt AB Lembrando que senθ = vem: 0B v 900 km / h 9 1 senθ = = = = u 500 m / s 5 ⋅ 3,6 2 ∴θ = 30º b) Considerando a situação em que teremos o aumento máximo, ou seja, p2' = 25 cm (ponto máximo) 10 cm Objetiva Ocular β Y’2 α Y’1 P2 P’2 M= y1' tgβ 10 10 = ⋅ = tgα p2 y1' p2 Na ocular temos: 1 1 1 1 1 1 = + ⇒ = − f 2 p2 p2' 1 p2 25 ∴ p2 = 25 cm 26 10 α Daí: M = 10 26 260 ⇒ M = 10 ⋅ = p2 25 25 ∴ M ≅ 10, 4 c) Temos que: 1 p' y' p' = − ⇒ 2' = − 2 0 p y1 p2 5 25 = y1' 25 26 5 ' ∴ y1 = − 26 − 5 cm 26 α 0 α Por semelhança: 5 26 = 10 100 ⋅ 102 OA 26 ∴ OA = ⋅ 103 m 5 Assim: OA 2 ⇒ OB = OA ⋅ cos θ = OB 3 52 ∴ OB = ⋅ 103 cm 5 3 52 ⋅ 103 OB 5 3 520 Δt = = = u 500 25 3 ∴ Δt = 12 s 11 100 m