Questão 115 — ENEM 2017Caderno azul · 2º Dia

Ficha da Questão

• 📚 Matérias Necessárias: Física → Dinâmica do Movimento Circular (força centrípeta e referenciais não inerciais)
• ⚡ Nível: Médio — exige entender que a força centrípeta depende da massa (logo, da densidade), e não apenas do raio ou da velocidade angular
• 🎯 Tema/Habilidade: Centrifugação como aplicação da força centrípeta; competência de interpretar fenômenos físicos do cotidiano tecnológico (H21/H22 da matriz do ENEM)
• 🏆 Gabarito: A — revelado após resolução completa

Passo 1 — Leitura Estratégica do Comando

• Comando reformulado: "Qual propriedade física das substâncias é responsável pela separação delas dentro de uma centrífuga?"
• Palavras-chave decisivas: aceleração centrífuga, rotação de um recipiente, separação de sólidos em suspensão ou líquidos misturados
• Armadilha típica: confundir a causa da separação (a diferença de densidade) com a consequência visível dela (as substâncias acabarem em raios diferentes, alternativa B) ou com grandezas que são, na verdade, iguais para todo o sistema (velocidade angular, alternativa C)
• O que a resposta precisa demonstrar: capacidade de identificar qual propriedade do material — e não do movimento em si — determina para qual lado (eixo ou parede do recipiente) cada substância se desloca

Passo 2 — Mapa de Conceitos Essenciais

• Força centrípeta: força resultante, sempre direcionada para o centro da trajetória, necessária para manter um corpo em movimento circular. Sua expressão é F_cp = m·ω²·r, em que m é a massa do corpo, ω a velocidade angular e r o raio da trajetória.
• Densidade (ρ): razão entre massa e volume (ρ = m/V). É a propriedade que diferencia "quanta massa cabe no mesmo espaço" — por isso, para volumes iguais, substâncias mais densas têm mais massa.
• Referencial não inercial e pseudoforça centrífuga: no referencial que gira junto com a centrífuga, cada elemento de fluido "sente" uma pseudoforça para fora, de intensidade proporcional à densidade local (f = ρ·ω²·r por unidade de volume). É exatamente o análogo rotacional do empuxo: assim como um corpo menos denso flutua e um mais denso afunda sob a gravidade, na centrífuga o mais denso é empurrado para a parede (maior raio) e o menos denso permanece mais próximo do eixo.
• Rigidez cinemática do sistema: todo o conteúdo do recipiente gira solidariamente com ele, ou seja, compartilha a mesma velocidade angular ω em cada instante — não há como uma substância ter ω diferente da outra dentro do mesmo tubo.

Passo 3 — Decodificação do Enunciado

• Evidência 1: "aceleração centrífuga obtida pela rotação de um recipiente" → mostra que o efeito físico em jogo é a aceleração associada ao movimento circular (a = ω²r), a mesma para todo o conteúdo do recipiente, já que todos giram junto com ele.
• Evidência 2: "separação de sólidos em suspensão em líquidos ou de líquidos misturados entre si" → indica que o fenômeno é análogo à sedimentação/decantação, só que acelerado — processo clássico e conhecidamente governado pela diferença de densidade entre as fases.
• Síntese: como todo o material gira com o mesmo ω (evidência 1) e o processo é análogo à sedimentação gravitacional (evidência 2), a variável que resta para explicar por que cada substância migra para um raio diferente é justamente a densidade — quanto mais denso o material, maior a força resultante para fora, mais rápido ele se desloca até a parede do recipiente.

Passo 4 — Resolução Completa (Passo a Passo)

Subpasso 4.1 — Modelar o sistema girante

Considere um tubo de centrífuga contendo uma mistura de duas substâncias (por exemplo, plasma e hemácias do sangue, ou dois líquidos imiscíveis). Ao ligar o equipamento, o recipiente entra em rotação com velocidade angular ω constante, e todo o seu conteúdo — independentemente da substância — é obrigado a acompanhar esse giro. Isso significa que, para um dado instante e um dado raio r, ω é a mesma para qualquer partícula do sistema.

Subpasso 4.2 — Comparar as forças que atuam sobre cada substância

Como F_cp = m·ω²·r, e m = ρ·V, dois pequenos volumes iguais (ΔV) de substâncias diferentes, situados no mesmo raio, precisam de forças centrípetas diferentes para acompanhar o giro, pois têm massas diferentes (ΔF = Δρ·V·ω²·r). No referencial girante, o material mais denso "resiste mais" a ser desviado para o centro — na prática, ele é empurrado com mais intensidade para fora, migrando para regiões de maior raio (paredes do tubo), enquanto o material menos denso permanece nas regiões mais próximas do eixo de rotação. É exatamente o mesmo princípio da decantação por gravidade (areia mais densa afunda, água menos densa fica por cima), só que a aceleração centrífuga (ω²r) substitui e amplifica a aceleração da gravidade (g), tornando o processo muito mais rápido e eficiente.

Subpasso 4.3 — Verificação

Se a separação dependesse do raio de rotação (B) ou da velocidade angular (C), essas grandezas teriam de ser diferentes para cada substância — mas não são: todo o conteúdo do tubo compartilha o mesmo ω, e o raio é justamente o resultado (a variável de saída) do processo, não a causa. Se dependesse da quantidade de substância (D), uma amostra pequena de um material denso não se separaria — o que contraria a prática laboratorial. Se dependesse da coesão molecular (E), o critério relevante mudaria de propriedade física fundamental do fenômeno de arraste centrífugo; a separação por centrifugação, no entanto, é classicamente descrita pela diferença de densidade (ou massa específica) entre as fases, confirmando a alternativa A.

Passo 5 — Análise Crítica de Todas as Alternativas

A) das diferentes densidades.

✅ Correta: com o mesmo ω e mesmo raio instantâneo, a força centrípeta necessária é proporcional à massa (F = m·ω²·r = ρ·V·ω²·r). Substâncias mais densas sofrem maior força resultante para fora no referencial girante e migram para raios maiores, enquanto as menos densas permanecem mais próximas do eixo — exatamente o mecanismo físico da centrifugação, análogo acelerado da decantação por gravidade.

B) dos diferentes raios de rotação.

❌ Incorreta: o raio final ocupado por cada substância é a consequência observável da separação, não a sua causa. No início do processo, antes de a centrífuga separar a mistura, todas as substâncias ocupam raios semelhantes (estão misturadas no mesmo volume); é a diferença de densidade que faz cada uma migrar para um raio diferente — inverter causa e efeito é o erro conceitual dessa alternativa.

C) das diferentes velocidades angulares.

❌ Incorreta: como o recipiente gira como um corpo rígido, toda a mistura em seu interior compartilha exatamente a mesma velocidade angular ω a cada instante. Não existe, fisicamente, "velocidade angular diferente" para substâncias distintas dentro do mesmo tubo em rotação solidária com o equipamento.

D) das diferentes quantidades de cada substância.

❌ Incorreta: a quantidade (massa total ou volume total) de cada substância na amostra não determina se ela se separa ou não — mesmo uma quantidade mínima de material mais denso se desloca para a parede do recipiente, pois o que importa é a densidade (massa por unidade de volume), não a massa total presente.

E) da diferente coesão molecular de cada substância.

❌ Incorreta: a coesão molecular está relacionada a propriedades como tensão superficial, viscosidade e forças intermoleculares, que podem influenciar a velocidade com que a separação ocorre (o quão rápido as fases se rearranjam), mas não é o critério físico que rege a direção da migração das substâncias na centrífuga — esse papel é exercido pela densidade, via força centrípeta.

🏆 Gabarito: A — a separação em uma centrífuga ocorre porque, girando todas as substâncias com a mesma velocidade angular, a força centrípeta necessária é proporcional à massa de cada elemento; substâncias mais densas são impelidas para raios maiores e as menos densas permanecem mais próximas do eixo, tal como ocorre na decantação por gravidade, porém de forma acelerada.

Passo 6 — Conclusão, Generalização e Dica de Prova

• Reafirmação do gabarito: a alternativa A é a única que aponta a causa física real do fenômeno; todas as demais confundem causa com efeito (B), ignoram a rigidez cinemática do sistema girante (C), atribuem peso a uma grandeza irrelevante (D) ou trocam o critério de separação por uma propriedade que apenas modula a velocidade do processo, não sua direção (E).
• Padrão de cobrança: o ENEM costuma explorar a força centrípeta (F = m·ω²·r = m·v²/r) em contextos aplicados — centrífugas, curvas de estradas, satélites, brinquedos de parque — sempre testando se o estudante entende quais grandezas são compartilhadas pelo sistema (ω, no caso de rotação solidária) e quais dependem de cada corpo (massa, densidade).
• Generalização: sempre que um fenômeno rotacional separar ou distinguir materiais, pergunte-se "o que é igual para todos os elementos do sistema (ω, r inicial) e o que é próprio de cada substância (massa, densidade)?" — a resposta certa quase sempre está na propriedade individual, não na cinemática compartilhada.
• Dica de eliminação rápida: elimine de cara qualquer alternativa que mencione uma grandeza cinemática (raio, velocidade angular) como causa em um sistema que gira em bloco — essas grandezas são efeito ou são idênticas para todas as substâncias; foque na propriedade intrínseca do material (densidade) como resposta mais provável.
• Conexões: o mesmo raciocínio de força centrípeta (F = m·ω²·r) aparece em questões sobre satélites em órbita, curvas com ou sem atrito e o "efeito coriolis" em fenômenos climáticos — vale revisar esses contextos como treino complementar.