Questão 049 caderno branco ENEM 2014 3ª Aplicação 1° Dia

O fenômeno da levitação de corpos ocorre, na Terra, quando a força gravitacional é equilibrada, fazendo com que um objeto paire no ar. O som pode fazer objetos levitarem, fenômeno chamado de levitação acústica. Um levitador acústico deve conter um transdutor, que é uma superfície vibratória que emite o som, e um refletor. Ambos têm superfícies côncavas para focalizar o som, conforme a ilustração:

Disponível em: http://ciencia.hsw.uol.com.br. Acesso em: 28 fev. 2012 (adaptado)

Para que haja a levitação indicada na figura, a força que equilibra o peso do objeto deve ser decorrente da

a) ação mecânica direta do transdutor sobre o objeto.

b) ressonância que ocorre entre a onda sonora e o objeto.

c) pressão que o som emitido pelo transdutor aplica no objeto.

d) interferência destrutiva do som que anula o movimento do objeto.

e) diferença de pressão dos sons emitido e refletido aplicada no objeto.

✍ Resolução Em Texto

Matérias Necessárias para a Solução da Questão

Dinâmica (Leis de Newton, Força Peso, Equilíbrio de Forças)
Ondulatória (Natureza do Som, Pressão Sonora, Ondas Estacionárias)
Hidrostática (Conceito de Pressão)

Tema/Objetivo Geral: Compreender o princípio físico por trás da levitação acústica, relacionando-o com a formação de uma onda estacionária e a consequente criação de zonas de alta e baixa pressão que podem equilibrar a força peso.

Nível da Questão: Médio

A questão é complexa. Ela descreve um fenômeno contraintuitivo (levitação pelo som) e exige que o candidato vá além de um conhecimento superficial de ondulatória. Não basta saber que o som é uma onda; é preciso entender que ele é uma onda de pressão e como a superposição de ondas (emitida e refletida) pode gerar forças resultantes capazes de sustentar um objeto.

Gabarito: E

Esta alternativa está correta porque a levitação acústica ocorre quando a onda sonora emitida e a refletida se superpõem, criando uma onda estacionária com pontos de alta e baixa pressão. É a diferença de pressão entre a parte inferior e superior do objeto que gera uma força resultante para cima, capaz de anular a força peso.

1️⃣ PASSO 1 – O QUE A QUESTÃO QUER? (O MAPA DA MINA)

Decodificação do Objetivo: A questão nos mostra um objeto flutuando no ar, sustentado por ondas sonoras. Ela nos diz que para flutuar (“levitar”), a força da gravidade (o peso do objeto) precisa ser equilibrada por outra força. Nossa missão de detetive é descobrir qual é a natureza exata da força que o som gera para cima, capaz de anular o peso.

Simplificação Radical (A Analogia Central): Imagine que você quer fazer uma bolinha de pingue-pongue flutuar. Uma maneira seria colocar um ventilador forte embaixo dela, soprando ar para cima. O ar batendo na parte de baixo da bolinha cria uma pressão maior do que a pressão do ar na parte de cima. Essa diferença de pressão gera uma força para cima que empurra a bolinha. A levitação acústica funciona de forma parecida, mas em vez de um fluxo de ar contínuo, usamos o “empurra-empurra” invisível das ondas sonoras para criar essa diferença de pressão. A questão quer saber como essa “ventania sonora” funciona.

Plano de Ataque (O Roteiro da Investigação): Nosso plano será o seguinte:

Analisar a Condição de Equilíbrio: Vamos aplicar a Primeira Lei de Newton para entender o que é necessário para a levitação.
Entender a “Mágica” do Som: Vamos usar uma ferramenta para explicar como o som, uma onda, pode criar uma força.
Construir o “Retrato Falado”: Vamos prever qual mecanismo físico a alternativa correta deve descrever.

2️⃣ PASSO 2 – DESVENDANDO AS FERRAMENTAS (A CAIXA DE FERRAMENTAS)

Para entender um fenômeno ondulatório complexo, a melhor ferramenta é um Fluxograma de Raciçonio (em Texto) que detalha o processo passo a passo.

O Mecanismo da Levitação Acústica

A Fonte: 🔊 O Transdutor vibra e emite uma onda sonora para cima. Lembre-se: o som é uma onda de pressão, uma sequência de compressões (alta pressão) e rarefações (baixa pressão) que se propagam pelo ar.
- ↑
A Reflexão: 🔄 A onda sonora viaja para cima, atinge o Refletor e é rebatida de volta para baixo.
- ↓
O Encontro (Superposição): 🌊 A onda que está subindo (incidente) se encontra e interfere com a onda que está descendo (refletida).
- ↓
A Criação da Onda Estacionária: ✨ Se a distância entre o transdutor e o refletor for ajustada corretamente, essa superposição cria uma onda estacionária.
- O que é isso? Uma onda que parece “parada” no espaço. Ela não se propaga, apenas oscila.
- Características: Ela possui pontos fixos de mínima pressão, chamados nós, e pontos fixos de máxima pressão, chamados ventres.
- ↓
A Levitação: 📍 O objeto em levitação fica preso em um dos nós da onda estacionária (um ponto de baixa pressão). A magia acontece porque logo abaixo e logo acima deste nó existem regiões de pressão mais alta (os ventres). A pressão média na parte de baixo do objeto se torna maior que a pressão média na parte de cima.
- Resultado Final: Essa diferença de pressão gera uma força resultante de baixo para cima, a Força de Radiação Acústica, que anula a Força Peso.

3️⃣ PASSO 3 – INTERPRETAÇÃO GUIADA (MÃO NA MASSA)

Executando o Plano de Ataque:
- Condição de Equilíbrio: Para o objeto levitar, a força resultante sobre ele deve ser nula. A Força Peso (P) aponta para baixo. Portanto, precisamos de uma força (que chamaremos de Força Acústica, F_ac) apontando para cima, com o mesmo módulo: F_ac = P.
- Entendendo a Força: Nosso fluxograma mostrou que essa força não é um “empurrão” simples, mas o resultado de uma complexa interação entre a onda emitida e a refletida, que cria uma diferença de pressão em torno do objeto.

A Bússola (O Perfil do Culpado):
- Síntese do raciocínio: A levitação acústica depende da formação de uma onda estacionária, resultante da superposição da onda sonora emitida e refletida. Essa onda estacionária cria nós de baixa pressão onde o objeto fica aprisionado, sustentado pela diferença de pressão das regiões vizinhas.
- Expectativa: A alternativa correta deve mencionar a diferença de pressão e, idealmente, conectar isso à interação entre o som emitido e o som refletido.

4️⃣ PASSO 4 – ALTERNATIVAS COMENTADAS (A AUTÓPSIA)

Aqui vamos realizar uma autópsia completa, transformando cada alternativa em uma microaula de ondulatória.

a) ação mecânica direta do transdutor sobre o objeto.
- A “Narrativa do Erro”: O aluno pensa que o transdutor “empurra” o objeto como uma mão faria.
- Diagnóstico do Erro: Contradição Direta. A imagem mostra claramente que não há contato físico entre o transdutor e o objeto em levitação. A força é transmitida pelo ar, através da onda sonora.
- Conclusão: ❌ Alternativa incorreta.
b) ressonância que ocorre entre a onda sonora e o objeto.
- A “Narrativa do Erro”: O aluno sabe que ressonância é um fenômeno ondulatório importante e o associa à levitação.
- Diagnóstico do Erro: Confusão Conceitual.
- MICROAULA: A Ressonância é o fenômeno em que um sistema (como uma taça de cristal) passa a vibrar com amplitudes cada vez maiores quando recebe uma onda externa com uma frequência igual à sua frequência natural de vibração. O exemplo clássico é a cantora de ópera quebrando a taça. Se houvesse ressonância, o objeto da questão vibraria violentamente e provavelmente seria expelido do aparelho, em vez de levitar de forma estável.
- Conclusão: ❌ Alternativa incorreta.
c) pressão que o som emitido pelo transdutor aplica no objeto.
- A “Narrativa do Erro”: O aluno pensa na analogia do ventilador e acha que é apenas o “sopro” de som vindo de baixo.
- Diagnóstico do Erro: Reducionismo (Descrever a parte, não o todo). Esta alternativa está incompleta. A levitação estável não depende apenas da onda emitida pelo transdutor, mas da interação crucial dela com a onda refletida pelo refletor para formar a onda estacionária. Sem o refletor, a levitação não ocorreria de forma estável.
- Conclusão: ❌ Alternativa incorreta.
d) interferência destrutiva do som que anula o movimento do objeto.
- A “Narrativa do Erro”: O aluno vê “interferência” (que de fato ocorre) e “anula o movimento” (o objeto está parado) e faz uma conexão direta.
- Diagnóstico do Erro: Confusão Conceitual.
- MICROAULA: A Interferência Destrutiva é o encontro de duas ondas em oposição de fase (uma crista com um vale), resultando em uma onda de amplitude menor ou nula. É o princípio dos fones de ouvido com cancelamento de ruído. Na levitação, ocorrem tanto interferências construtivas (que formam os ventres de alta pressão) quanto destrutivas (que formam os nós de baixa pressão). A levitação não é causada apenas pela interferência destrutiva, mas pelo padrão completo (a onda estacionária) que ela ajuda a criar. “Anular o movimento” não é o termo físico correto; o correto é anular as forças.
- Conclusão: ❌ Alternativa incorreta.
e) diferença de pressão dos sons emitido e refletido aplicada no objeto.
- Análise de Correspondência: Esta alternativa é um encaixe perfeito com a nossa “Expectativa”. Ela menciona a “diferença de pressão” (o mecanismo da força) e os “sons emitido e refletido” (os agentes que, ao interagirem, criam essa diferença de pressão). Ela descreve o fenômeno de forma completa e precisa.
- Conclusão: ✔️ Alternativa correta.

5️⃣ PASSO 5 – O GRAND FINALE (APRENDIZAGEM EXPANDIDA)

Frase de Fechamento: Confirmamos que a resposta correta é a (E), pois a levitação acústica é um exemplo fascinante de como a superposição de ondas emitidas e refletidas pode criar uma estrutura invisível de pressões no ar, forte o suficiente para desafiar a gravidade.
Resumo-flash (A Imagem Mental): “A levitação acústica é como surfar numa onda de som que não se move: o objeto flutua no ‘vale’ (baixa pressão) da onda, sustentado pelas ‘cristas’ (alta pressão) ao redor.”
🧠 Para ir Além (A Ponte para o Futuro): O mesmo princípio de usar ondas estacionárias para manipular a matéria é a base de uma tecnologia de ponta chamada pinças ópticas (optical tweezers), que rendeu o Prêmio Nobel de Física de 2018. Em vez de ondas sonoras, as pinças ópticas usam feixes de laser altamente focados. A interação da luz com partículas microscópicas (como células vivas ou até mesmo átomos) gera forças minúsculas de pressão de radiação. Ao manipular os feixes de laser, os cientistas podem criar “armadilhas” de luz, similares aos nós da onda sonora, para segurar, mover e estudar essas partículas sem tocá-las. Assim como a levitação acústica flutua objetos macroscópicos, as pinças ópticas “levitam” e manipulam o mundo microscópico.