FisicaNet - Prof. Alberto Ricardo Prass
QUESTÕES RESOLVIDAS
QUESTÕES RESOLVIDAS
Questão 82

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.

associação de polias

Alternativas
A) 3.
B) 6. Correta
C) 7.
D) 8.
E) 10.
Resolução Comentada

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:

\[ F_{\text{atrito}} = \mu \, N = \mu \, m \, g \]

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 (\(F = 400\text{ N}\)):

  • Com 1 polia móvel: Arquimedes puxa a extremidade livre do fio com força \(F = 400\text{ N}\). A polia distribui essa tração nos dois lados do fio, transmitindo para a próxima etapa uma força de \(2 \cdot F = 800\text{ N}\).
  • Com 2 polias móveis: A força transmitida duplica novamente, tornando-se \(2 \cdot (2 \cdot F) = 2^2 \cdot F = 1600\text{ N}\).
  • Com 3 polias móveis: A força duplica mais uma vez: \(2^3 \cdot F = 3200\text{ N}\).
  • Com \(n\) polias móveis: A cada nova polia móvel adicionada, a força transmitida é multiplicada por 2. Logo, para \(n\) polias móveis, a força total exercida sobre o navio será:
\[ F_{\text{transmitida}} = F \cdot 2^n = 400 \cdot 2^n \]

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 (\(24000\text{ N}\)):

\[ 400 \cdot 2^n \ge 24000 \implies 2^n \ge \frac{24000}{400} \implies 2^n \ge 60 \]

Testando as potências de 2:

  • Para \(n = 5\): \(2^5 = 32\) (força transmitida = \(12800\text{ N}\) — insuficiente).
  • Para \(n = 6\): \(2^6 = 64\) (força transmitida = \(25600\text{ N}\) — suficiente para mover o navio).

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:

\[ VM = \frac{F_{\text{atrito}}}{F} = \frac{24000}{400} = 60 \]

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.