Explique, com base em física, por que um pião gira de forma estável quando bem lançado e por que com o tempo…
Publicado por Alexandre Lombardi dos Santos, fundador do GeraProva
Realizar previsões qualitativas e quantitativas sobre o funcionamento de geradores, motores elétricos e seus componentes, bobinas, transformadores, pilhas, baterias e dispositivos eletrônicos, com base na análise dos processos de transformação e condução de energia envolvidos – com ou sem o uso de dispositivos e aplicativos digitais –, para propor ações que visem a sustentabilidade.
Fonte: Base Nacional Comum Curricular (MEC).Questão
Explique, com base em física, por que um pião gira de forma estável quando bem lançado e por que com o tempo ele começa a oscilar e cair. Use conceitos de momento angular L = I·?, torque t = r×F (com g = 10 m/s²) e energia dissipada por atrito; inclua equações e interpretação física.
✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.
Resposta esperada
Modelo de resposta: Um pião em rotação tem momento angular L = I·? (I = momento de inércia, ? = velocidade angular). Enquanto L é grande, o torque devido ao peso t = r_cm × (m·g) causa précessão em vez de queda: velocidade de précessão O ˜ t / L = (m·g·r_cm)/L. Atrito no eixo e resistência do ar remove energia rotacional (E_rot = ½ I ?²), reduzindo ? e L; com L menor, o mesmo torque produz maior mudança de orientação e surgem oscilações (nutação) até que o pião perca estabilidade e caia. Exemplo numérico: para m=0,05 kg, r_cm=0,01 m, I=2,0×10?6 kg·m² e ?=150 rad/s, L = I·? = 3,0×10?4 kg·m²/s; t = m·g·r_cm = 0,05·10·0,01 = 0,005 N·m; O ˜ t/L ˜ 0,005/3,0×10?4 ˜16,7 rad/s. Conforme a energia rotacional decai por atrito, ? diminui, L cai e O aumenta, levando à perda de estabilidade e queda.
Explicação
A resposta aborda os conceitos de momento angular e torque, explicando como a précessão permite que o pião mantenha sua estabilidade durante a rotação. Além disso, menciona a dissipação de energia por atrito, que reduz a velocidade angular e o momento angular, levando ao aumento da oscilação e eventual queda do pião. O uso de equações e um exemplo numérico ilustra claramente a relação entre os fenômenos físicos envolvidos.
Raio-X da questão
momento angular e torque
avaliacao
momento angular e torque · energia dissipada por atrito
Revisar os conceitos de momento angular e energia dissipada por atrito.
O aluno pode confundir a relação entre torque e momento angular, não explicando corretamente a oscilação do pião.
ciencia_tecnologia
pensamento_critico
cientifico
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