Questão 128 do ENEM 2018 — Ciências da Natureza

Para resolver, analisamos as forças em cada carro pela Terceira Lei de Newton (ação e reação) e pelo conceito de quantidade de movimento. Nas duas montagens há uma ventoinha e uma vela de cartolina com curvatura parabólica sobre um carrinho; a diferença é o sentido em que cada ventoinha sopra o ar, conforme a orientação mostrada nas figuras.

Carro B

No carro B, a ventoinha sopra o ar para fora do conjunto (para longe da vela). Pela Terceira Lei, se a ventoinha empurra o ar num sentido (ação), o ar empurra a ventoinha no sentido oposto (reação). Como a ventoinha está fixa no carro, essa reação impulsiona todo o conjunto.

Chamemos essa força de $F_B$. Como não há obstáculo à frente do jato de ar, o carro B se move livremente e adquire uma velocidade $V_B > 0$.

Carro A

O carro A reproduz a situação dos desenhos animados: a ventoinha sopra o ar em direção à própria vela. Vamos separar o que acontece em duas etapas.

1. Na ventoinha: ao empurrar o ar em direção à vela, a ventoinha sofre uma reação em sentido contrário. Se o ar sai da ventoinha com velocidade $v$, a força de reação na ventoinha é proporcional a essa velocidade.
2. Na vela: o ar atinge a cartolina de curvatura parabólica. Por causa dessa curvatura, o ar não apenas bate e para — ele bate, faz a curva e é refletido de volta, saindo com velocidade $v'$ em sentido oposto ao que chegou.

Para inverter o sentido de movimento do ar, a vela precisa aplicar sobre ele uma força considerável. Pela ação e reação, o ar aplica na vela uma força de mesma intensidade e sentido contrário.

Como o ar sofreu uma inversão de sentido, a variação da sua quantidade de movimento é maior do que seria se ele apenas parasse. Por isso, a força que o ar aplica na vela é maior do que a força de reação sentida pela ventoinha. Essas forças têm sentidos opostos, então a resultante no carro A aponta no sentido da força na vela — o mesmo sentido em que a ventoinha sopra o ar. O carro A se move para o lado da vela.

Comparando $V_A$ e $V_B$

A força que impulsiona o carro B depende do ar sendo lançado com velocidade $v$. Já a força útil no carro A depende da velocidade $v'$ com que o ar é refletido pela vela.

A colisão do ar com a cartolina não é perfeita: há atrito, espalhamento do ar e perda de energia. Logo, a velocidade de reflexão é menor que a original ($v' < v$). Por causa dessas perdas, a força resultante que empurra o carro A é menor que a força que empurra o carro B. Assim, o carro A é mais lento: $0 < V_A < V_B$

Conclusão: o carro A se move (para o lado da vela, isto é, para a direita conforme a figura), mas com velocidade menor que a do carro B. A resposta é a alternativa B.