Questão FC784470
A figura a seguir representa um sistema no qual um cilindro homogêneo maciço, de massa m, comprimento L e raio r, encontra-se inicialmente em repouso sobre uma plataforma horizonta
Sem classificação
Instituto AOCP · 2026
A figura a seguir representa um sistema no qual um cilindro homogêneo maciço, de massa m, comprimento L e raio r, encontra-se inicialmente em repouso sobre uma plataforma horizontal situada a uma altura h acima do ponto mais baixo de um loop circular de raio R.
Figura – Bloco sendo impulsionado para a direta por uma mola presa à parede, induzido a percorrer uma trajetória circular de raio R

O cilindro é impulsionado por uma mola ideal de constante elástica k, inicialmente comprimida de uma distância x. Após ser liberado, o cilindro percorre a pista e entra no loop circular, rolando sem deslizamento ao longo de todo o percurso.
Considere que:
- a pista é rígida e não há deslizamento entre o cilindro e a pista;
- não há forças dissipativas (o atrito é apenas estático e não realiza trabalho);
- o eixo do cilindro é perpendicular ao plano da figura;
- a aceleração da gravidade é g;
- o momento de inércia do cilindro em relação ao seu eixo central é \(I = (1/2) m r^2\);
- a altura h indicada na figura corresponde à altura inicial do centro de massa do cilindro em relação à base do loop;
- o raio R refere-se ao raio geométrico da trajetória circular do centro do cilindro dentro do loop.
Com base nessas informações, determine a compressão mínima \(x_{min}\) da mola para que o cilindro complete o loop sem perder contato no ponto mais alto e assinale a alternativa correta.
- \(x_{min} = 0 \text{ se } h \geq 11R/2; \text{ caso contrário } x_{min} = \sqrt{\frac{2mg}{k} \left( \frac{11R}{2} - h \right)}\)
- \(x_{min} = 0 \text{ se } h \geq 5R/2; \text{ caso contrário } x_{min} = \sqrt{\frac{2mg}{k} \left( \frac{5R}{2} - h \right)}\)
- \(x_{min} = 0 \text{ se } h \geq 11R/4; \text{ caso contrário } x_{min} = \sqrt{\frac{mg}{k} \left( \frac{11R}{4} - h \right)}\)
- \(x_{min} = 0 \text{ se } h \geq 2R; \text{ caso contrário } x_{min} = \sqrt{\frac{2mg}{k} (2R - h)}\)
- \(x_{min} = 0 \text{ se } h \geq 11R/4; \text{ caso contrário } x_{min} = \sqrt{\frac{2mg}{k} \left( \frac{11R}{4} - h \right)}\)
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Gabarito
Errado
Comentário do professor
Para completar o loop sem perder contato, a condição de contato no ponto mais alto exige \(N=0\) e assim \(v_{\text{top}}^2= gR\).
Conservando energia entre a posição inicial e o topo: a mola fornece energia elástica \(\tfrac{1}{2}kx^2\) que se transforma em variação de energia potencial \(mg(2R-h)\) e energia cinética total do cilindro. Pelo rolamento sem deslizamento, \(\omega=v/r\) e \(I=\tfrac{1}{2}mr^2\), logo a energia cinética é \(\tfrac{1}{2}mv^2+\tfrac{1}{2}I\omega^2=\tfrac{3}{4}mv^2\).
No topo necessitamos \(v^2=gR\), então a energia exigida é \(mg(2R-h)+\tfrac{3}{4}mgR= mg\!\left(\tfrac{11R}{4}-h\right)\). Assim \(\tfrac{1}{2}kx^2= mg\!\left(\tfrac{11R}{4}-h\right)\).
Daí \(x_{\min}=0\) se \(h\ge 11R/4\); caso contrário \(x_{\min}=\sqrt{\dfrac{2mg}{k}\left(\dfrac{11R}{4}-h\right)}\).
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