Questão 67 do ENEM 2014 — Ciências da Natureza

O Experimento de Galileu e a Inércia

A questão aborda um dos mais famosos experimentos mentais da física: os planos inclinados de Galileu Galilei. Esse experimento foi fundamental para a formulação do Princípio da Inércia, que mais tarde se tornaria a Primeira Lei de Newton.

Quando a esfera é abandonada no plano de descida, a componente do seu peso paralela ao plano atua como uma força resultante, acelerando-a. Ao chegar à base, a esfera adquire uma velocidade máxima, que chamaremos de $v$.

Análise do Movimento no Plano Horizontal

O enunciado nos pede para imaginar a situação em que o ângulo do plano de subida é reduzido a zero, ou seja, o plano de subida se transforma em uma superfície perfeitamente horizontal. Além disso, por se tratar do experimento clássico de Galileu para deduzir a inércia, consideramos uma situação ideal, livre de forças dissipativas como o atrito e a resistência do ar.

Ao entrar nesse trecho horizontal, precisamos analisar as forças que atuam sobre a esfera:

1. A força Peso ($\vec{P}$), apontando para baixo.
2. A força Normal ($\vec{N}$), exercida pela superfície, apontando para cima.

Como não há movimento na direção vertical, essas duas forças se anulam. Na direção horizontal, por não haver atrito, não existe nenhuma força atuando sobre a esfera. Consequentemente, a força resultante ($\vec{F}_{R}$) sobre a esfera é nula: $\vec{F}_{R} = 0$

A Relação entre Força, Impulso e Velocidade

Na física, o impulso ($\vec{I}$) de uma força constante é definido como o produto dessa força pelo intervalo de tempo ($\Delta t$) em que ela atua: $\vec{I} = \vec{F}_{R} \cdot \Delta t$

Como a força resultante é nula ($\vec{F}_{R} = 0$), o impulso resultante sobre a esfera também será nulo: $\vec{I} = 0$

Pelo Teorema do Impulso, sabemos que o impulso resultante é igual à variação da quantidade de movimento ($\Delta \vec{Q}$) do corpo: $\vec{I} = \Delta \vec{Q}$

Se o impulso é zero, a variação da quantidade de movimento também é zero ($\Delta \vec{Q} = 0$). Como a quantidade de movimento é o produto da massa pela velocidade ($\vec{Q} = m \cdot \vec{v}$) e a massa da esfera não muda, concluímos que a velocidade da esfera deve permanecer constante.

A esfera continuará se movendo em linha reta e com a mesma velocidade $v$ que tinha ao terminar a descida, caracterizando um Movimento Retilíneo Uniforme (MRU). Ela não precisa de um "impulso" contínuo para continuar se movendo; essa é a própria essência da inércia (muitos alunos confundem inércia com uma força que empurra o corpo para frente, o que é incorreto, como afirmado na alternativa B).

Portanto, a esfera manterá sua velocidade constante, pois o impulso resultante sobre ela será nulo.