Um pequeno bloco de massa é mantido em repouso no alto de uma rampa pela tração de um fio isolante elétrico, ligado a uma carga elétrica positiva , de massa desprezível, afastada de de uma carga negativa, de valor igual, ficada no fundo de um poço (ver a figura).

Calcule o valor das cargas sabendo que, se o fio for cortado, o bloco levará para chegar ao fim da rampa, deslizando sem atrito (despreze a massa do fio).

Dado:
valor da constante da lei de Coulomb: $9 \times 10^9\ N\cdot m^2/C^2$

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ITA IIIT 04/05/2022, 19:10
$-$ A priori, analisemos a situação que o fio é cortado, segundo a imagem do enunciado, a distância que bloco percorrerá até o fim da rampa será $1 \ m$. Além disso, não é difícil constatar também que sua aceleração será $a = g.\sin{\alpha}$ a partir da decomposição da força peso. Atente que, $\alpha$ é o ângulo de inclinação da rampa, enquanto $g$ é a aceleração da gravidade. Nesse viés, com conhecimento das equações horárias, sabemos que o bloco parte do repouso, então: \begin{matrix} 1 = 0.\Delta t + a. {\large{ \frac{\Delta t^2}{2}}} &\Rightarrow& g.\sin{\alpha} = {\large{ \frac{1}{2}}} &\therefore& \sin{\alpha} = {\large{ \frac{1}{20}}} \end{matrix}$-$ Nessa perspectiva, já podemos analisar a situação inicial do enunciado, denotemos a tração de $T$, como o sistema está estático, a força de atração $(F_e)$ entre as cargas deve ser igual a tração, assim: \begin{matrix} T = F_e &\therefore& T = {\large{ \frac{K.Q^2}{d^2}}} \end{matrix}Com isso, pensando agora no bloco, ao decompor a força peso temos outra relação de igualdade, esta que nos fornecerá o valor da carga $Q$, veja: \begin{matrix} T = P.\sin{\alpha} &\Rightarrow& {\large{ \frac{K.Q^2}{d^2}}} = 0,02.\sin{\alpha} &\therefore& |Q| = 10^{-9} \ C \end{matrix}
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Artur Gilson 17/03/2024, 00:14
Perceba que como o bloco está em repouso e a carga elétrica positiva $Q$ tem massa desprezível , podemos afirmar dessa forma que o módulo do vetor força eletrostática $\vec{F_{e}}$ atuante sobre essa carga é igual a tração $T$ da corda , ou seja , $|\vec{F_{e}}| = T$. Analisando o bloco $B$ podemos concluir que $T = mg\sin(\theta)$ , onde $m$ é a massa do bloco B e $\theta$ é o ângulo formado entre a rampa e a horizontal. Ao cortar o fio o bloco irá começar a se movimentar e teremos que a única força que atua em seu sentido de movimento é a $ mg\sin\theta$ (Que é igual a tração do fio). Análise do movimento do bloco $B$ : $ma = mg\sin \theta = ma = T \implies a = \dfrac{T}{m}$ $l = \dfrac{at^2}{2} = \dfrac{a\cdot 2^2}{2} = l = 2a = l = 2 \cdot \dfrac{T}{m} \implies T = \dfrac{l \cdot m}{2} $ $\therefore$ $|\vec{F_{e}}| = \dfrac{l \cdot m}{2} = k \cdot \dfrac{|+Q||-Q|}{d^2} = \dfrac{l \cdot m}{2} =k \cdot \dfrac{|Q|^2}{d^2} $ $\implies |Q|^2 = \dfrac{l \cdot m \cdot d^2}{2 \cdot k} = \dfrac{1\cdot 0,002 \cdot (3 \cdot 10^{-3})^2}{2\cdot 9 \cdot 10^9}$ $= \dfrac{1 \cdot 2 \cdot 10^{-3} \cdot 9 \cdot 10^{-6}}{2\cdot 9 \cdot 10^9} $ $=\dfrac{ 10^{-9}}{10^9} = |Q|^2 = 10^{-18}$ $\therefore$ $\boxed{|Q| = 10^{-9}\text{ C}}$
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