F0071 (Enem) Em 1543, Nicolau Copérnico publicou um livro revolucionário em que propunha a Terra girando em torno do seu próprio eixo e rodando em torno do Sol. Isso contraria a concepção aristotélica, que acredita que a Terra é o centro do universo. Para os aristotélicos, se a Terra gira do oeste para o leste, coisas como nuvens e pássaros, que não estão presas à Terra, pareceriam estar sempre se movendo do leste para o oeste, justamente como o Sol. Mas foi Galileu Galilei que, em 1632, baseando-se em experiências, rebateu a crítica aristotélica, confirmando assim o sistema de Copérnico. Seu argumento, adaptado para a nossa época, é se uma pessoa, dentro de um vagão de trem em repouso, solta uma bola, ela cai junto a seus pés. Mas se o vagão estiver se movendo com velocidade constante, a bola também cai junto a seus pés. Isto porque a bola, enquanto cai, continua a compartilhar do movimento do vagão.
O princípio físico usado por Galileu para rebater o argumento aristotélico foi
a) a lei da inércia.
b) ação e reação.
c) a segunda lei de Newton.
d) a conservação da energia.
e) o princípio da equivalência.

Passo 1

O enunciado descreve o argumento histórico de Galileu: dentro de um vagão em repouso, ao soltar uma bola ela cai junto aos pés; se o vagão se move com velocidade constante a bola também cai junto aos pés porque “continua a compartilhar do movimento do vagão”. Pergunta: qual princípio físico Galileu usou, entre as opções:
a) a lei da inércia.
b) ação e reação.
c) a segunda lei de Newton.
d) a conservação da energia.
e) o princípio da equivalência.
O problema pede para identificar qual princípio físico Galileu usou para explicar por que a bola cai junto aos pés de uma pessoa dentro de um vagão em movimento constante. As informações relevantes são que a bola “continua a compartilhar do movimento do vagão” e que o vagão se move com velocidade constante.

Passo 2

Entender o fenômeno: quando o vagão se move com velocidade constante (não está acelerando), a bola inicialmente tem a mesma velocidade horizontal do vagão. Enquanto a bola cai, nada (ou muito pouco) aplica uma força horizontal significativa sobre ela, então sua velocidade horizontal permanece praticamente a mesma. Para a pessoa dentro do vagão, isso faz parecer que a bola “caiu no mesmo lugar” (ao lado dos pés). Essa ideia de “continuar com o mesmo movimento” é o ponto central a explicar.

Passo 3

Enunciado claro do princípio usado (em linguagem simples): a lei da inércia diz que um corpo tende a manter seu estado de movimento (repouso ou movimento retilíneo uniforme) a menos que uma força resultante atue sobre ele. Em outras palavras, se não há força horizontal atuando na bola, a componente horizontal de sua velocidade não muda. Isso explica por que a bola conserva a velocidade horizontal do vagão enquanto cai.

Passo 4

Descrição matemática simples (para ver direitinho como a bola e o vagão se comportam):
  • Escolhe-se eixo horizontal x (direção do vagão) e vertical y (para baixo positivo).
  • No instante em que a bola é solta, sua velocidade horizontal é igual à velocidade do vagão, digamos \,v_0.
  • Não havendo força horizontal relevante, a componente horizontal da velocidade é constante, logo
x(t)=v_0\,t.
  • Na direção vertical há aceleração da gravidade g, então a posição vertical relativa ao ponto de soltura é
y(t)=\tfrac{1}{2}g\,t^2.
  • O pé da pessoa no vagão também se move horizontalmente com \,x_{\text{pé}}(t)=v_0\,té. Como as duas posições horizontais coincidem para todo t, a bola e o pé têm a mesma abscissa quando a bola atinge o solo do vagão — ou seja, a bola cai junto aos pés. Isso é exatamente o efeito previsto pela lei da inércia.

Passo 5

Por que as outras alternativas estão erradas (resumo, para fixar):
  • b) ação e reação: é a terceira lei de Newton (para cada força existe uma força igual e contrária). Trata de pares de forças entre corpos, não explica a conservação do movimento na ausência de força horizontal.
  • c) a segunda lei de Newton: relaciona força resultante com aceleração ( \mathbf{F}=m\mathbf{a}). Embora seja compatível com o que usamos (se F_x=0 então a_x=0), o conceito que Galileu expôs e que responde ao argumento aristotélico é justamente a ideia de inércia (manutenção do movimento na ausência de forças), isto é, a primeira lei. A segunda lei é uma formulação mais completa, mas o princípio físico citado no enunciado é a lei da inércia.
  • d) conservação da energia: não tem relação direta com o motivo pelo qual a bola mantém a velocidade horizontal do vagão enquanto cai.
  • e) princípio da equivalência: é um princípio da relatividade geral (equivalência entre massa inercial e gravitacional / campos gravitacionais e acelerações), não é o argumento que Galileu usou nesse experimento simples.

Passo 6

Resumo didático e motivador: Galileu mostrou que, em um sistema que se move com velocidade constante, os fenômenos internos não “denunciam” esse movimento — objetos soltos mantêm o movimento horizontal que já tinham. Essa é a intuição da lei da inércia: sem força resultante, não há mudança no estado de movimento. É esse princípio que derruba a objeção aristotélica. Você já fez a parte difícil: entender que a conservação da componente horizontal da velocidade é o núcleo do raciocínio.

Resposta

a)

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