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Física

ITA 2027 (2ª fase) Física — Questão 7

Um estudante de engenharia deseja montar um sistema para monitorar, com a máxima precisão, a deformação mecânica de uma viga metálica, minimizando o efeito térmico, por meio de dispositivos resistivos RiR_i (com i=1,…,4i = 1, \ldots, 4) fixados na viga e ligados em uma ponte de Wheatstone não equilibrada e alimentada por uma fonte ideal de tensão constante VsV_s. Cada dispositivo utilizado pode ser um resistor de resistência R0R_0 constante ou um extensômetro de resistência nominal R0R_0, fator GG de calibração e coeficiente térmico linear α\alpha. Para pequenas variações, a resistência de um extensômetro varia segundo ΔRR0=Gε+α ΔT\dfrac{\Delta R}{R_0} = G\varepsilon + \alpha\,\Delta T, em que ε\varepsilon é a deformação mecânica, com ε>0\varepsilon > 0 para tração e ε<0\varepsilon < 0 para compressão, e ΔT\Delta T é a variação de temperatura. A saída da ponte é definida por Vo=VD−VBV_o = V_D - V_B, medida por um voltímetro ideal, conforme ilustra a figura. Considere sempre o regime linear de pequenas variações, de modo que termos quadráticos e produtos entre pequenas correções possam ser desprezados, tais como (αΔT)2(\alpha\Delta T)^2, ε2\varepsilon^2 e εαΔT\varepsilon\alpha\Delta T e que, se ∣x∣≪1|x| \ll 1, podemos aproximar (1+x)−1≈1−x(1 + x)^{-1} \approx 1 - x. Responda aos itens abaixo.

Ponte de Wheatstone ABCD com R1 (A–D), R2 (A–B), R3 (D–C) e R4 (B–C), alimentada por Vs entre A e C, com voltímetro V medindo Vo entre D e B

a) Considerando que o estudante utilizou apenas um extensômetro, enquanto os outros três braços da ponte são resistores de resistência R0R_0 constante, obtenha o módulo da tensão de saída VoV_o da ponte, em função de ε\varepsilon e ΔT\Delta T.

b) Suponha agora que o estudante deseja medir ε\varepsilon com máxima precisão. Considerando que todo o sistema está na mesma temperatura e que, na viga metálica, há pontos de compressão e tração de mesma intensidade, indique em que tipo de ponto (tração ou compressão) cada dispositivo deve ser afixado, apontando se ele deve ser extensômetro ou resistor de resistência constante R0R_0.

✍️ Questão dissertativa

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🧭 Explicação detalhada ITA

O que a questão pede

Linearizar a saída da ponte e, com a fórmula em mãos, decidir o que colocar em cada braço. O que está escondido: o enunciado quer máxima precisão e temperatura sem efeito, e a resposta é decidida pelos sinais da fórmula.

Antes de começar, revise

  • Divisor de tensão
  • Aproximação linear
  • Extensômetro

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