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ENEM 2018 segunda aplicação
Um carrinho de brinquedo funciona por fricção. Ao ser forçado a girar suas rodas para trás, contra uma superfície rugosa, uma mola acumula energia potencial elástica. Ao soltar o brinquedo, ele se movimenta sozinho para frente e sem deslizar.
Quando o carrinho se movimenta sozinho, sem deslizar, a energia potencial elástica é convertida em energia cinética pela ação da força de atrito
a
dinâmico na roda, devido ao eixo.
b
estático na roda, devido à superfície rugosa.
c
estático na superfície rugosa, devido à roda.
d
dinâmico na superfície rugosa, devido à roda.
e
dinâmico na roda, devido à superfície rugosa.
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Resposta
B
Tempo médio
1 min
Resolução
A questão descreve um carrinho de brinquedo que armazena energia potencial elástica em uma mola ao ter suas rodas giradas para trás contra uma superfície rugosa. Ao ser solto, ele se move para frente sem deslizar, convertendo essa energia potencial elástica em energia cinética.
O ponto chave é entender como essa conversão de energia ocorre e qual força é responsável por impulsionar o carrinho para frente.
- Armazenamento de Energia: Ao forçar as rodas para trás, a mola interna é comprimida ou torcida, armazenando energia potencial elástica (\(E_{pe}\)).
- Liberação de Energia: Quando o carrinho é solto, a mola se expande/distorce, aplicando um torque nas rodas. Esse torque tende a girar as rodas no sentido que faria o carrinho se mover para trás (se considerarmos a rotação pura imposta pela mola).
- Interação com a Superfície: A mola tenta girar a parte inferior da roda para frente, em relação ao solo. Para que o carrinho se mova para frente *sem deslizar*, a superfície rugosa deve exercer uma força sobre a roda que se oponha a essa tendência de deslizamento relativo.
- Atrito Estático como Propulsor: Como não há deslizamento, a força de atrito entre a roda e a superfície é estática. A tendência de movimento relativo do ponto de contato da roda é para trás (devido à ação da mola tentando girar a roda). Portanto, a força de atrito estático exercida pela superfície *sobre a roda* aponta para frente.
- Conversão de Energia: É essa força de atrito estático para frente (\(F_{at,e}\)) que impulsiona o carrinho, realizando trabalho e convertendo a energia potencial elástica da mola (\(E_{pe}\)) em energia cinética (\(E_c\)) do carrinho (tanto translacional quanto rotacional). A força de atrito estático age como o agente que transfere a energia armazenada na mola para o movimento do carrinho.
Analisando as opções:
- A força responsável pela propulsão é a de atrito.
- Como não há deslizamento, o atrito é estático.
- A força é exercida pela superfície rugosa *sobre a roda* do carrinho.
- Essa força aponta para frente, causando a aceleração e o aumento da energia cinética.
Portanto, a energia potencial elástica é convertida em energia cinética pela ação da força de atrito estático na roda, devido à superfície rugosa.
Dicas
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A condição 'sem deslizar' informa qual tipo de força de atrito está atuando entre a roda e a superfície.
Para o carrinho acelerar para frente, qual deve ser a direção da força resultante sobre ele?
A força de atrito é exercida por uma superfície sobre a outra. Qual força (exercida por quem e atuando em quem) causa o movimento do carrinho?
Erros Comuns
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Confundir atrito estático com atrito dinâmico. A condição 'sem deslizar' é a chave para identificar o atrito estático.
Pensar que a força de atrito sempre se opõe ao movimento do objeto. Neste caso, o atrito estático atua *a favor* do movimento do centro de massa do carrinho, sendo a força propulsora.
Não identificar corretamente sobre qual corpo a força atua. A força que acelera o carrinho atua *sobre* a roda (exercida pela superfície).
Confundir a força de ação com a de reação (Terceira Lei de Newton). A roda empurra a superfície para trás (atrito estático), e a superfície empurra a roda para frente (atrito estático). A segunda é a força propulsora do carrinho.
Revisão
Revisão de Conceitos
- Energia Potencial Elástica (\(E_{pe}\)): Energia armazenada em um corpo elástico (como uma mola) devido à sua deformação (compressão, estiramento, torção). Fórmula comum: \(E_{pe} = \frac{1}{2} k x^2\) para uma mola linear.
- Energia Cinética (\(E_c\)): Energia associada ao movimento de um corpo. Para translação: \(E_c = \frac{1}{2} m v^2\). Para rotação: \(E_c = \frac{1}{2} I \omega^2\).
- Força de Atrito: Força que se opõe ao movimento relativo (ou à tendência de movimento) entre superfícies em contato.
- Atrito Estático (\(F_{at,e}\)): Atua quando não há deslizamento entre as superfícies. Seu valor varia de zero até um máximo (\(F_{at,e,max} = \mu_e N\)), ajustando-se para impedir o movimento relativo. Pode atuar como força propulsora, como no caso do caminhar ou de um carro acelerando sem derrapar.
- Atrito Dinâmico ou Cinético (\(F_{at,k}\)): Atua quando há deslizamento entre as superfícies. Geralmente tem valor constante (\(F_{at,k} = \mu_k N\)) e opõe-se ao movimento relativo.
- Rolamento Sem Deslizamento: Condição em que o ponto de contato entre um objeto que rola (como uma roda) e a superfície está instantaneamente em repouso em relação à superfície. Isso implica que a força de atrito atuante nesse ponto é estática.
- Trabalho e Energia: O trabalho realizado por uma força pode alterar a energia cinética de um objeto (Teorema Trabalho-Energia Cinética). A força de atrito estático, neste caso, realiza trabalho positivo no centro de massa do carrinho, aumentando sua energia cinética translacional, às custas da energia potencial elástica da mola.
Habilidade
Avaliar possibilidades de geração, uso ou transformação de energia em ambientes específicos, considerando implicações éticas, ambientais, sociais e/ou econômicas.
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