Uma invenção que significou um grande avanço tecnológico na Antiguidade, a polia composta ou a associação de polias, é atribuída a Arquimedes (287 a.C. a 212 a.C.). O aparato consiste em associar uma série de polias móveis a uma polia fixa. A figura exemplifica o que é possível para uma polia. É relatado que Arquimedes tenha demonstrado para o rei Hierão um outro arranjo desse aparato, movendo sozinho, sobre a areia da praia, um navio repleto de passageiros e cargas, algo que jamais seria possível sem a atribuição de múltiplas polias. Suponha que a massa do navio era de 3 000 kg, que o coeficiente de atrito estático entre o navio e a areia era de 0,8 e que Arquimedes tenha puxado o navio com uma força \( \overrightarrow{F} \) , paralela à direção do movimento e de módulo igual a 400 N. Considere os fios e as polias ideais, a aceleração da gravidade igual a 10 m/s² e que a superfície da praia é perfeitamente horizontal.
1. Cálculo da força necessária para mover o navio (\(F_{\text{atrito}}\)):
Para que o navio saia do repouso, a força aplicada sobre ele deve vencer a força de atrito estático máxima exercida pela areia da praia:
Substituindo os valores do enunciado (\(m = 3000\text{ kg}\), \(\mu = 0{,}8\) e \(g = 10\text{ m/s}^2\)):
\[ F_{\text{atrito}} = 0{,}8 \times 3000 \times 10 = 24000\text{ N} \]
2. Análise da transmissão de forças no sistema de polias móveis:
O arranjo mostrado é uma talha em que cada polia móvel possui um fio próprio preso à parede horizontal. Vamos analisar a força de tração em cada etapa, partindo da força aplicada por Arquimedes (\(F = 400\text{ N}\)):
3. Determinação do número mínimo de polias móveis (\(n\)):
Para mover o navio, precisamos que a força transmitida seja igual ou superior à força de atrito (\(24000\text{ N}\)):
Testando as potências de 2:
Portanto, o número mínimo de polias móveis necessárias é 6.
Complemento Teórico (Vantagem Mecânica):
Esse tipo de associação é denominado talha exponencial. A vantagem mecânica (\(VM\)) representa a razão entre a força resistente do navio e a força motora aplicada por Arquimedes:
Como cada polia móvel duplica o ganho de força, a vantagem mecânica da talha exponencial é dada por \(VM = 2^n\). Logo, \(2^n \ge 60\), o que confirma a necessidade de pelo menos \(n = 6\) polias móveis.
Alternativa correta: (B) 6.