Movimento de Corpos Celestes

Você sabe o que é velocidade orbital e como é calculada? Entende o que significa velocidade de escape? Tem ideia de como o princípio da imponderabilidade existe no espaço? Os astronautas flutuam ou caem? Saiba mais sobre tudo isso nessa aula de Física para o Enem.

Nesta aula de física para o Enem você vai entender como os satélites são colocados em órbitas, compreendendo a diferença entre velocidade orbital e velocidade de escape. Entenderá também sensação que um astronauta tem quando está no interior de uma nave em órbita. Vem comigo revisar o movimento dos corpos celestes sob o olhar da física para mandar bem no Enem e nos vestibulares!

O alcance dos estudos de Kepler e Newton é tão grande que suas leis foram capazes de explicar inúmeros fatos sobre os corpos celestes. Através de seus estudos, podemos compreender o comportamento dos planetas em torno do sol e das luas em torno dos planetas.

Sob a visão desses grandes cientistas, é possível também entender o movimento dos corpos celestes (como cometas e asteroides). E, mais recentemente, as leis elaboradas por Kepler ajudaram os seres humanos a lançar satélites artificiais em órbita ao redor da Terra ou de outros planetas.

Lançamento de satélites e movimento dos corpos celestes

Os satélites artificiais têm diversas finalidades: meteorológicas, militares, telecomunicações, pesquisas cientificas, localização espacial (posicionamento global), etc.

Eles são lançados por foguetes que, enquanto o eleva, fornece também ao satélite a velocidade horizontal necessária para fazê-lo permanecer em órbita.

É importante citar que, mesmo ele estando em órbita, distante do solo, a força gravitacional da Terra continua a agir sobre o satélite. Caso contrário, o satélite se moveria em linha reta e se perderia no espaço. Para compreender melhor o que estou falando, veja abaixo um esquema simplificado do lançamento de um satélite:

lançamento de um satélite

Como você pode perceber pela imagem, é nos “estágios” que os tanques de combustíveis vazios são ejetados. Para calcular a velocidade necessária para o satélite atingir determinada órbita e permanecer nela, considera-se que durante seu movimento a atração gravitacional entre a Terra e o satélite é a única força atuando.

Essa força é responsável pela aceleração centrípeta necessária para manter o satélite em órbita. E ainda, essa aceleração é a própria aceleração da gravidade na altitude que ele ficará. Então as duas são iguais!

acp = ag

A partir da igualdade acima, podemos determinar a velocidade orbital de um satélite da seguinte forma:

Sendo temos:

Sendo esse r o raio do planeta Terra somado a distância do satélite até a superfície. Esse é o cálculo para se determinar qual a velocidade necessária para um satélite atingir determinada órbita e permanecer nela.

Velocidade de escape

Se você já ouviu falar alguma coisa sobre o lançamento de um satélite, talvez já tenha ouvido falar de velocidade de escape, certo?

A velocidade de escape é a menor velocidade com que se deve lançar um corpo da superfície da Terra para que este se livre da atração da gravidade, chegando ao infinito com velocidade nula. 

Ou seja, você acabou de ver qual seria a velocidade necessária para manter o satélite em órbita. Mas, qual seria a velocidade mínima para que ele saísse da órbita?

O cálculo dessa velocidade envolve o conceito de conservação de energia. Isso porque essa velocidade deve fornecer ao corpo energia cinética suficiente para livrá-lo completamente da atração gravitacional.

Partindo do ponto de que no espaço a energia mecânica do corpo lançado é nula, podemos concluir que a energia cinética dele menos a força gravitacional existente tem que ser igual a zero. Acompanhe meu raciocínio:

cálculo velocidade de escape

Essa é a fórmula para velocidade de escape. Observe que não utiliza a massa do corpo lançado. Isso porque, sem dúvida, ela é desprezível em relação a da Terra.

Para exemplificar, vamos calcular então a velocidade de escape que um corpo precisa ter para sair do planeta Terra.

Vamos levantar os valores que temos:

G à Constante gravitacional =

R à Raio equatorial da Terra = 6,38 x 106 m

M à Massa da Terra = 5,98 x 1024 kg

Substituindo tudo:

velocidade de escape

Essa é o valor da velocidade de escape da Terra.

Imponderabilidade no espaço

É comum dizer que, no interior de uma nave em órbita ao redor da Terra, as coisas e as pessoas estão sob a ação da gravidade zero. Os objetos no interior de uma nave no espaço parecem flutuar e os astronautas têm a mesma sensação de queda livre.

Na figura abaixo, você observa que a astronauta esta encostada ao piso da nave. Perceba que, mesmo assim, ela não exerce compressão sobre o piso.

movimento dos corpos celestes

Mas então, eles estão com gravidade zero ou estão caindo em queda livre? Essa sensação, onde não se pode discernir se realmente se está caindo ou se há ausência de gravidade é chamada de imponderabilidade.

Sabendo que as estações espaciais e naves que estão em órbita em volta da Terra ainda sofrem a ação da gravidade (como com os satélites), podemos dizer que tal imponderabilidade não significa realmente que a força de atração gravitacional deixou de existir e que a gravidade ali não é zero! O que acontece é que eles realmente estão caindo em queda livre.

A força gravitacional neste caso é aplicada diretamente em todos os pontos do corpo do astronauta. Isso produz a mesma aceleração em todos esses pontos. Desta forma não existem compressões entre partes do corpo e o nosso cérebro não consegue perceber o peso quando estamos em queda livre.

Diferentemente do que acontece quando se está sentado em uma cadeira apoiada na superfície da Terra. Nessa situação há uma força normal que é somada ao nosso peso a fim de cancelar seu efeito (aceleração).

Como esta força aplica-se de forma localizada, ela leva à existência de compressão ao longo da estrutura do corpo. Isto gera a sensação de peso, o que não acontece quando se está em queda livre.

Aí você pode estar se perguntando: “Como estão em queda livre se não estão caindo em direção à Terra?”

Como eu disse anteriormente, realmente eles estão em queda livre. Porém à medida que caem, eles possuem uma velocidade tangencial muito alta. É essa velocidade tangencial que faz com que os astronautas caiam, mas nunca encontrem o chão da nave.

astronautas e queda livre

Compreendeu? Agora você sabe que os astronautas no interior de uma nave em órbita estão em queda livre e não flutuando.

Dica: Se você tem curiosidade sobre como os astronautas fazem suas atividades diárias em constante queda livre, siga o canal “Canadian Space Agency”. Esse é o canal da Agência Espacial Canadense e tem muitos vídeos legais sobre o cotidiano dos astronautas, como esse a seguir sobre como eles escovam os dentes:

Para rever o assunto assista o vídeo sobre imponderabilidade e movimento dos corpos celestes:
Agora resolva 10 exercícios sobre o movimento dos corpos celestes

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