Pular para o conteúdo
Prof. Luis Teixeira — Física | Matemática Reforço
Escolar

Física 1ª série

Gravitação universal

F111ª série do Ensino Médio10 exercíciosSimulador autoral

A mesma força que faz uma maçã cair mantém a Lua em órbita da Terra e os planetas em órbita do Sol. Kepler descreveu como os planetas se movem; Newton explicou por quê. No simulador, você deforma a órbita, vê as áreas iguais varridas em tempos iguais e compara períodos com a 3ª lei.

Antes, convém saber: Forças e leis de Newton, Dinâmica: aplicações das leis de Newton

Resumo

O essencial do tema

1ª lei de Kepler: lei das órbitas

Cada planeta descreve uma órbita elíptica, com o Sol num dos focos (e não no centro). O ponto mais próximo do Sol é o periélio ($r_p$) e o mais afastado, o afélio ($r_a$). O semieixo maior é a média das duas distâncias: $a=\frac{r_p+r_a}{2}$, também chamado de raio médio. A excentricidade $e$ mede o achatamento: $e=0$ é uma circunferência. As órbitas dos planetas são quase circulares (a da Terra tem $e\approx0{,}017$); as dos cometas são muito alongadas.

2ª lei de Kepler: lei das áreas

O segmento que liga o Sol ao planeta varre áreas iguais em tempos iguais. Perto do Sol esse segmento é curto, então o planeta precisa percorrer um arco maior no mesmo tempo: ele é mais rápido no periélio e mais lento no afélio. Nesses dois pontos vale $v_p\,r_p=v_a\,r_a$.

3ª lei de Kepler: lei dos períodos

Para todos os corpos que orbitam o mesmo astro central, $\frac{T^2}{a^3}$ é constante: $\frac{T_1^2}{a_1^3}=\frac{T_2^2}{a_2^3}$. No Sistema Solar, com $T$ em anos e $a$ em unidades astronômicas (1 UA é a distância média Terra–Sol), fica simplesmente $T^2=a^3$. Planetas mais afastados têm período maior e velocidade menor.

Lei da Gravitação Universal

Dois corpos de massas $M$ e $m$, com centros separados por $d$, se atraem com $F=\frac{G\,M\,m}{d^2}$, sendo $G\approx6{,}67\cdot10^{-11}\,\text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2$. As forças sobre os dois corpos formam um par de ação e reação: mesmo módulo, sentidos opostos. Dobrando a distância, a força cai para $\frac14$; triplicando, para $\frac19$.

Campo gravitacional

A uma distância $r$ do centro de um planeta de massa $M$, a aceleração da gravidade é $g=\frac{G\,M}{r^2}$. Na superfície, $g_0=\frac{G\,M}{R^2}$, o que dá o atalho $G\,M=g_0\,R^2$. Atenção: $r=R+h$ é a distância ao centro, e não a altitude. A uma altitude igual ao raio, $r=2R$ e $g$ fica $4$ vezes menor.

Satélites em órbita circular

A gravidade é a resultante centrípeta: $\frac{G\,M\,m}{r^2}=\frac{m\,v^2}{r}$, então $v=\sqrt{\frac{G\,M}{r}}$ e $T=2\pi\sqrt{\frac{r^3}{G\,M}}$. Velocidade e período não dependem da massa do satélite. O satélite geoestacionário tem $T=1$ dia e fica a cerca de $36\,000$ km de altitude. Os astronautas flutuam porque estão em queda livre junto com a nave, e não por falta de gravidade.

Atenção

Erros comuns

Simulador autoral

Órbitas de Kepler

Carregando o simulador…

Abrir só o simulador em outra aba · feito em HTML pelo Prof. Luis Teixeira

Experimente

  1. Aumente a excentricidade e ligue as áreas: os setores coloridos foram varridos em tempos iguais ($\frac{1}{12}$ do período cada) e têm a mesma área, mas os que ficam perto do Sol são curtos e largos.
  2. Observe a seta da velocidade: maior no periélio, menor no afélio. Confira $\frac{v_p}{v_a}=\frac{r_a}{r_p}$ na leitura.
  3. Ligue a órbita da Terra e coloque $a=4$ UA: o planeta dá uma volta enquanto a Terra dá $8$, porque $T=\sqrt{4^3}=8$ anos.
  4. Pause e arraste o planeta para qualquer ponto da órbita para ler a distância e a velocidade ali.
Resolvidos

Exemplos resolvidos

  1. A distância média de Plutão ao Sol é cerca de $40$ vezes a da Terra. Estime o período de Plutão.

    Ver a resolução passo a passo
    Os dois orbitam o Sol, então vale $T^2=a^3$ com $T$ em anos e $a$ em UA: $T^2=40^3=64\,000$. Tirando a raiz: $T=\sqrt{6400\cdot10}=80\sqrt{10}\approx80\cdot3{,}16\approx253$ anos (o valor real é cerca de $248$ anos). Armadilhas: responder $40$ anos (supor $T$ proporcional a $a$) ou $64\,000$ (esquecer a raiz).
  2. Um satélite orbita a uma altitude igual ao raio da Terra ($R=6{,}4\cdot10^6$ m; $g_0=10\,\text{m/s}^2$). Qual o campo gravitacional na órbita e a velocidade do satélite?

    Ver a resolução passo a passo
    A distância ao centro é $r=R+R=2R=1{,}28\cdot10^7$ m. Campo: $g=\frac{GM}{(2R)^2}=\frac{g_0}{4}=2{,}5\,\text{m/s}^2$. Na órbita circular, a gravidade é a centrípeta: $\frac{v^2}{r}=g\Rightarrow v=\sqrt{g\,r}=\sqrt{2{,}5\cdot1{,}28\cdot10^7}=\sqrt{3{,}2\cdot10^7}\approx5{,}7\cdot10^3$ m/s, ou seja, cerca de $5{,}7$ km/s.
Roteiro

Como estudar este tema

  1. Revise as leis de Newton e a ideia de resultante centrípeta.
  2. Leia o resumo, com atenção aos erros comuns (altitude × distância ao centro e o uso da 3ª lei).
  3. No simulador, verifique as três leis de Kepler, uma de cada vez.
  4. Resolva os exercícios básicos e intermediários; nos de 3ª lei, escreva sempre a razão entre os raios antes de elevar ao cubo.
  5. Termine com os aplicados e, para se aprofundar, use a aula interativa e a ficha do professor.
Exercícios

Teste o que você aprendeu

Resolva no papel antes de abrir a resposta. Conferir cedo demais atrapalha o aprendizado.

  1. Básico

    Um planeta passa a $1$ UA do Sol no periélio e a $3$ UA no afélio. Qual o semieixo maior da órbita?

    Ver resposta

    $2$ UA. $a=\frac{r_p+r_a}{2}=\frac{1+3}{2}$.

  2. Básico

    Em que ponto da órbita a velocidade de um planeta é máxima? Por quê?

    Ver resposta

    No periélio. Pela 2ª lei de Kepler, o raio vetor varre áreas iguais em tempos iguais; perto do Sol ele é mais curto, então o planeta precisa percorrer um arco maior no mesmo tempo.

  3. Básico

    Se a distância entre dois corpos dobra, o que acontece com a força gravitacional entre eles?

    Ver resposta

    Fica $4$ vezes menor. A força é inversamente proporcional ao quadrado da distância: $\frac{1}{2^2}=\frac14$.

  4. Básico

    Um asteroide tem órbita praticamente circular de raio $4$ UA em torno do Sol. Qual o seu período?

    Ver resposta

    $8$ anos. $T^2=a^3=4^3=64\Rightarrow T=8$ anos.

  5. Intermediário

    Um satélite geoestacionário orbita a $42\,000$ km do centro da Terra com período de $24$ h. Qual o período de um satélite que orbita a $10\,500$ km do centro?

    Ver resposta

    $3$ h. Os dois orbitam a Terra: $\left(\frac{T}{24}\right)^2=\left(\frac{10\,500}{42\,000}\right)^3=\left(\frac14\right)^3=\frac{1}{64}$. Então $\frac{T}{24}=\frac18$ e $T=3$ h.

  6. Intermediário

    Qual o valor do campo gravitacional a uma altitude igual a três raios da Terra? ($g_0=10\,\text{m/s}^2$)

    Ver resposta

    $0{,}625\,\text{m/s}^2$. A distância ao centro é $r=R+3R=4R$, e não $3R$. Então $g=\frac{g_0}{4^2}=\frac{10}{16}$.

  7. Intermediário

    Um cometa passa a $0{,}5$ UA do Sol no periélio, com velocidade de $50$ km/s. No afélio, ele está a $25$ UA. Qual a sua velocidade no afélio?

    Ver resposta

    $1$ km/s. $v_p\,r_p=v_a\,r_a\Rightarrow50\cdot0{,}5=v_a\cdot25\Rightarrow v_a=1$ km/s.

  8. Intermediário

    Um planeta tem o dobro da massa da Terra e o dobro do raio. Qual a gravidade na sua superfície? ($g_0=10\,\text{m/s}^2$)

    Ver resposta

    $5\,\text{m/s}^2$. $g=\frac{G\cdot2M}{(2R)^2}=\frac{2}{4}\cdot\frac{GM}{R^2}=\frac{g_0}{2}$.

  9. Aplicado

    Qual a velocidade de um satélite em órbita rasante (raio da órbita praticamente igual ao da Terra, $R=6{,}4\cdot10^6$ m)? Quanto tempo ele leva para dar uma volta? ($g_0=10\,\text{m/s}^2$; $\pi\approx3{,}14$)

    Ver resposta

    $8$ km/s e cerca de $84$ min. Na órbita rasante, $\frac{v^2}{R}=g_0\Rightarrow v=\sqrt{10\cdot6{,}4\cdot10^6}=\sqrt{6{,}4\cdot10^7}=8\cdot10^3$ m/s. Período: $T=\frac{2\pi R}{v}=\frac{2\cdot3{,}14\cdot6{,}4\cdot10^6}{8\cdot10^3}\approx5024$ s $\approx84$ min.

  10. Aplicado

    Júpiter está a cerca de $5$ UA do Sol. Estime o seu período e diga qual seria o erro de quem respondesse $5$ anos, $25$ anos ou $125$ anos.

    Ver resposta

    Cerca de $11{,}2$ anos. $T^2=5^3=125\Rightarrow T=\sqrt{125}=5\sqrt5\approx11{,}2$ anos (o real é $11{,}9$). $5$ anos supõe $T$ proporcional a $a$; $25$ usa $T$ proporcional a $a^2$; $125$ é $T^2$, sem tirar a raiz.

Do professor

Material das aulas particulares

Os mesmos slides e fichas usados nas aulas. Bom para revisar ou se aprofundar depois dos exercícios.

Referências

Para aprofundar

Fica salvo só neste navegador.