Questão de Física — Dinâmica — CESPE / CEBRASPE 2025

Conservação da Energia Mecânica em uma Montanha-Russa

Gabarito: letra D. Como o bloco desliza sem atrito e parte do repouso, a energia mecânica total (soma da energia cinética com a energia potencial gravitacional) se conserva ao longo do trilho. Assim, ao atingir o ponto mais baixo, toda a energia potencial perdida é convertida em energia cinética — exatamente o que afirma a alternativa D.

A questão explora o Princípio da Conservação da Energia Mecânica, válido quando atuam apenas forças conservativas (como o peso) e forças que não realizam trabalho (como a força normal, que é perpendicular ao deslocamento). Nesse cenário, a energia mecânica permanece constante: $E_m = E_c + E_p = \text{constante}$. No ponto mais alto, o bloco está em repouso ($E_c = 0$) e possui energia potencial máxima; no ponto mais baixo, a altura é mínima (energia potencial mínima) e a velocidade é máxima (energia cinética máxima). A diferença de energia potencial entre os dois pontos é integralmente transformada em energia cinética.

A pegadinha da banca está em confundir a conservação da energia mecânica com a presença de atrito ou com o trabalho da força normal. Como o enunciado afirma explicitamente que o deslizamento é sem atrito, não há dissipação de energia, e a força normal (exercida pelos trilhos) não realiza trabalho, pois é sempre perpendicular ao deslocamento do bloco. Portanto, a energia mecânica se conserva e a conversão é total.

Alternativa A — ❌ Incorreta

Afirma que a energia mecânica total diminui devido ao atrito. O enunciado diz que o bloco desliza sem atrito, logo não há força dissipativa atuando. A energia mecânica se conserva, não diminui. A alternativa contraria a condição dada no problema.

Alternativa B — ❌ Incorreta

Afirma que a energia total é zero. A energia total (mecânica) do bloco é constante e diferente de zero, pois ele parte do repouso em uma altura $h > 0$, possuindo energia potencial gravitacional $E_p = mgh$. Essa energia não é zero, e a energia cinética no ponto mais baixo será igual a essa energia potencial inicial.

Alternativa C — ❌ Incorreta

Afirma que a energia potencial atinge seu maior valor no ponto mais baixo. Na verdade, a energia potencial gravitacional é dada por $E_p = mgh$, sendo diretamente proporcional à altura. No ponto mais baixo, a altura é mínima, portanto a energia potencial é mínima, não máxima. O valor máximo ocorre no ponto mais alto, de onde o bloco partiu.

Alternativa D — ✅ Correta ⟵ GABARITO

Afirma que toda perda de energia potencial é convertida em energia cinética. Como não há atrito, a energia mecânica se conserva: a diminuição da energia potencial ($\Delta E_p$) é exatamente igual ao aumento da energia cinética ($\Delta E_c$). No ponto mais baixo, $E_p$ é mínima e $E_c$ é máxima, e a conversão é total. Essa é a aplicação direta do princípio da conservação da energia mecânica.

Alternativa E — ❌ Incorreta

Afirma que o trabalho realizado pela força dos trilhos sobre o bloco é, em módulo, igual ao trabalho da força peso. A força normal (dos trilhos) é sempre perpendicular ao deslocamento, portanto não realiza trabalho ($W_N = 0$). Já o trabalho da força peso é igual à variação da energia potencial ($W_P = -\Delta E_p$), que é diferente de zero. Logo, os módulos não são iguais.

Gabarito: letra D