Questão 164 caderno azul do ENEM 2020 PPL – dia 2

Dois atletas partem de pontos, respectivamente P1 e P2 , em duas pistas planas distintas, conforme a figura, deslocando-se no sentido anti-horário até a linha de chegada, percorrendo, desta forma, a mesma distância (L). Os trechos retos dos finais das curvas até a linha de chegada desse percurso têm o mesmo comprimento (l) nas duas pistas e são tangentes aos trechos curvos, que são semicírculos de centro C. O raio do semicírculo maior é R1 e o raio do semicírculo menor é R2 .

Questão 164 - Enem PPL 2020 - Dois atletas partem de pontos,respectivamente P1 e P2,raio do semicirculo

Sabe-se que o comprimento de um arco circular é dado pelo produto do seu raio pelo ângulo, medido em radiano, subentendido pelo arco. 

Nas condições apresentadas, a razão da medida do ângulo P2CP1 pela diferença L− l é dada por 

Questão 164 - Enem PPL 2020 - Dois atletas partem de pontos,respectivamente P1 e P2,raio do semicirculo

Resolução em texto

📘 Matérias Necessárias para a Solução da Questão:

Geometria Circular, Comprimento de Arco, Radiano, Álgebra (manipulação de razão).

📔 Nível da Questão:

Difícil

✅ Gabarito:

C) 1/R₂ – 1/R₁

🎯 Tema/Objetivo Geral:

Determinar a razão entre a medida angular do arco circular e a diferença entre os comprimentos dos dois arcos percorridos pelos atletas, com base na fórmula do comprimento de arco em radianos.


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

Decodificando o Objetivo: A questão nos pede para encontrar uma expressão matemática que represente a razão (divisão) entre a medida do ângulo P₂CP₁ e a diferença L – l.

Simplificando, o verdadeiro desafio aqui é um trabalho de detetive algébrico. Precisamos montar equações que descrevam o percurso de cada um dos dois atletas. A pista principal é que, no final, eles percorreram exatamente a mesma distância total (L). Usando essa igualdade, vamos manipular as equações para isolar os termos que a pergunta nos pede (ângulo P₂CP₁ e L – l) e encontrar a relação entre eles.

Nosso Roteiro de Ação (Plano de Ataque) será o seguinte:
1. Definir as variáveis: Dar nomes aos ângulos e distâncias envolvidos.
2. Escrever a equação para a distância total do Atleta 1 (L₁), que corre na pista externa.
3. Escrever a equação para a distância total do Atleta 2 (L₂), que corre na pista interna.
4. Usar a condição fundamental: Igualar as duas distâncias (L₁ = L₂ = L).
5. Manipular a equação resultante para encontrar a expressão pedida.


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

Para resolver este problema, precisaremos de uma única, mas poderosa, ferramenta fornecida pelo próprio enunciado.

Ferramenta: O Comprimento do Arco Circular

  • Lógica: O tamanho de um “pedaço de pizza” (o arco) é determinado pelo tamanho do raio e pelo ângulo da fatia.
  • Fórmula (dada na questão): Comprimento do Arco = Raio × Ângulo (com o ângulo em radianos).
  • Aplicação: Usaremos esta fórmula para calcular a parte curva do percurso de cada atleta.

3️⃣ PASSO 3 – INTERPRETAÇÃO GUIADA (MÃO NA MASSA)

Vamos executar nosso plano, passo a passo, como um técnico de atletismo analisando a pista.

Etapa 1: Definir as variáveis.

  • L: Distância total percorrida por ambos os atletas.
  • l: Comprimento do trecho reto (o mesmo para ambos).
  • R₁: Raio do semicírculo maior (pista do Atleta 1).
  • R₂: Raio do semicírculo menor (pista do Atleta 2).
  • θ₁: Ângulo percorrido pelo Atleta 1 na parte curva.
  • θ₂: Ângulo percorrido pelo Atleta 2 na parte curva.
  • α (Alfa): O ângulo P₂CP₁ que queremos encontrar. Note pela figura que θ₁ = θ₂ + α.

Etapa 2: Equação para o Atleta 1 (pista externa).
A distância total L é a soma do trecho reto com o trecho curvo.
L = l + (Comprimento do Arco 1)
L = l + R₁ · θ₁ (Equação I)

Etapa 3: Equação para o Atleta 2 (pista interna).
L = l + (Comprimento do Arco 2)
L = l + R₂ · θ₂ (Equação II)

Etapa 4: Usar a condição fundamental.
Como as duas expressões são iguais a L, podemos igualá-las:
l + R₁ · θ₁ = l + R₂ · θ₂
R₁ · θ₁ = R₂ · θ₂

Etapa 5: Manipular a equação para encontrar a expressão pedida.
Nosso objetivo é encontrar a razão α / (L – l). Vamos trabalhar para isolar esses termos.

Primeiro, vamos usar a relação entre os ângulos: θ₁ = θ₂ + α. Substituindo isso na equação acima:
R₁ · (θ₂ + α) = R₂ · θ₂
R₁θ₂ + R₁α = R₂θ₂
R₁α = R₂θ₂ – R₁θ₂
R₁α = θ₂(R₂ – R₁)
α = θ₂(R₂ – R₁) / R₁

Isso ainda não nos ajuda muito. Vamos tentar outra abordagem. Das equações I e II, podemos isolar os arcos:

  • Da Equação I: L – l = R₁ · θ₁ => θ₁ = (L – l) / R₁
  • Da Equação II: L – l = R₂ · θ₂ => θ₂ = (L – l) / R₂

Agora, usamos a relação α = θ₁ – θ₂. Substituindo θ₁ e θ₂:
α = [ (L – l) / R₁ ] – [ (L – l) / R₂ ]

Podemos colocar (L – l) em evidência:
α = (L – l) * [ 1/R₁ – 1/R₂ ]

A questão pede a razão α / (L – l). Vamos passar o (L – l) para o outro lado, dividindo:
α / (L – l) = 1/R₁ – 1/R₂

🚨 ARMADILHA CLÁSSICA! 🚨
O erro mais comum aqui é se perder na álgebra. Outra armadilha está na interpretação do ângulo. A figura e o enunciado dizem “ângulo P₂CP₁”. Olhando para a imagem, a posição de partida do atleta 1 (P₁) está “mais para trás” no ângulo do que a do atleta 2 (P₂). A diferença entre os ângulos percorridos (θ₁ e θ₂) é exatamente α. No entanto, a forma como os pontos estão desenhados (θ₁ = θ₂ + α) e o resultado final da subtração (1/R₁ – 1/R₂) levam a um valor negativo, já que R₁ > R₂. O enunciado pede a “medida” do ângulo, então estamos interessados no valor absoluto. A ordem correta da subtração que leva a um resultado positivo seria θ₂ – θ₁, o que resultaria em 1/R₂ – 1/R₁.

Vamos checar a pergunta: “a razão da medida do ângulo P₂CP₁ pela diferença L – l”.
α = (L-l) * (1/R₂ – 1/R₁) (para α ser positivo)
α / (L-l) = 1/R₂ – 1/R₁

Síntese do raciocínio:
Expressamos a distância total percorrida por cada atleta em função do trecho reto e do trecho em arco. Igualando as distâncias, relacionamos os arcos. Isolamos os ângulos em função da distância (L-l) e dos raios. Finalmente, subtraímos os ângulos para encontrar a expressão para α e a manipulamos para chegar à razão pedida.

Expectativa: A expressão final deve ser 1/R₂ – 1/R₁.


4️⃣ PASSO 4 – ALTERNATIVAS COMENTADAS (A AUTÓPSIA)

Vamos agora analisar as alternativas.

A) R₂ – R₁

  • O Diagnóstico do Erro: O aluno pode ter simplesmente subtraído os raios, sem usar a lógica dos arcos.
  • Conclusão: ❌ Alternativa incorreta.

B) 1/R₁ – 1/R₂

  • A Narrativa do Erro: O aluno chegou à expressão correta, mas com a ordem da subtração trocada, o que resultaria em um valor negativo.
  • O Diagnóstico do Erro: “Erro de Sinal / Ordem da Subtração”.
  • Conclusão: ❌ Alternativa incorreta.

C) 1/R₂ – 1/R₁

  • Análise: Corresponde exatamente à expressão que deduzimos para que a medida do ângulo α seja positiva.
  • Conclusão: ✔️ Alternativa correta.

D) 1 / (R₂ – R₁)

  • O Diagnóstico do Erro: Erro na manipulação algébrica das frações.
  • Conclusão: ❌ Alternativa incorreta.

E) 1/R₁ + 1/R₂

  • O Diagnóstico do Erro: Erro conceitual, somando os ângulos em vez de subtraí-los.
  • Conclusão: ❌ Alternativa incorreta.

5️⃣ PASSO 5 – O GRAND FINALE (APRENDIZAGEM EXPANDIDA)

A resposta correta é a C) 1/R₂ – 1/R₁, pois esta é a expressão matemática que resulta da manipulação algébrica das equações que descrevem os percursos dos atletas.

Resumo-flash (A Imagem Mental): A pista de corrida é um problema de geometria disfarçado; para que a distância seja a mesma, o corredor de fora precisa de um “desconto” no ângulo, e a matemática nos permite calcular exatamente o tamanho desse desconto.

🧠 Para ir Além (A Ponte para o Fim): O cálculo que fizemos para “compensar” as raias da pista de atletismo conecta a Geometria com a Engenharia de Transportes e o projeto de ferrovias. Quando um trem faz uma curva, a roda que está no trilho de fora (raio maior) precisa percorrer uma distância maior do que a roda que está no trilho de dentro (raio menor), no mesmo intervalo de tempo. Para que isso aconteça sem que as rodas deslizem ou o trem descarrile, as rodas dos trens são projetadas em formato cônico. Esse design engenhoso faz com que, na curva, o diâmetro efetivo da roda externa aumente e o da interna diminua, compensando as diferentes distâncias a serem percorridas. É uma solução de engenharia brilhante para o mesmo problema geométrico da nossa pista de corrida.

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