Questão 121 do ENEM 2019 — Física
Numa feira de ciências, um estudante utilizará o disco de Maxwell (ioiô) para demonstrar o princípio da conservação da energia. A apresentação consistirá em duas etapas.
Etapa 1 – a explicação de que, à medida que o disco desce, parte de sua energia potencial gravitacional é transformada em energia cinética de translação e energia cinética de rotação;
Etapa 2 – o cálculo da energia cinética de rotação do disco no ponto mais baixo de sua trajetória, supondo o sistema conservativo.
Ao preparar a segunda etapa, ele considera a aceleração da gravidade igual a 10 ms–2 e a velocidade linear do centro de massa do disco desprezível em comparação com a velocidade angular. Em seguida, mede a altura do topo do disco em relação ao chão no ponto mais baixo de sua trajetória, obtendo da altura da haste do brinquedo. As especificações de tamanho do brinquedo, isto é, de comprimento ( C ), largura (L) e altura (A), assim como da massa de seu disco de metal, foram encontradas pelo estudante no recorte de manual ilustrado a seguir.
O resultado do cálculo da etapa 2, em joule, é:
Resolução comentada
A altura total do brinquedo é A = 410 mm = 0,41 m. O disco parte de perto do topo e desce até que o topo do disco fique a uma altura 2h/3 do chão, ou seja, ele percorre uma queda de 2h/3 = 2 × 0,41/3 ≈ 0,273 m. Como a velocidade de translação é desprezível frente à de rotação, praticamente toda a energia potencial gravitacional se converte em energia cinética de rotação: E = m·g·Δh = 0,030 × 10 × 0,273 ≈ 8,2 × 10⁻² J.
Quem calcula a queda como sendo apenas h − 2h/3 = h/3 (interpretando 2h/3 como a altura final, e não como a distância percorrida) chega à metade do valor, 4,1 × 10⁻² J; mas a indicação "2h/3" no desenho corresponde ao trecho percorrido pelo disco a partir do topo, e é essa distância que deve entrar na conta da energia potencial convertida.