GRAVITAÇÃO UNIVERSAL 1. Faz-se uma cavidade esférica em uma esfera de chumbo de raio R, tal que sua superfície tangencie a superfície externa da esfera de chumbo e passe pelo centro desta. A massa primitiva da esfera de chumbo era M. De acordo com a Lei da Gravitação Universal, qual será a força com que a esfera de chumbo atrairá uma pequena esfera de massa m localizada à distância d, ao longo da reta que passa pelos centros das esferas e da cavidade? 2. Um par de estrelas gira em torno do centro de massa comum. A massa de uma dela é M, o dobro da massa m da outra. A distância d entre os centros das estrelas é grande, comparada ao tamanho de qualquer delas. Deduza uma expressão para o período de rotação das estrelas em torno de seu centro de massa, em função de d, m e G. 3. Um sistema com três estrelas é constituído por duas estrelas com a mesma massa m, que giram em torno de uma estrela central de massa M na mesma órbita circular. As duas estrelas de massa m encontram-se em posições diametralmente opostas, como mostra a figura. Sendo r o raio da órbita, deduza uma expressão para o período de revolução destas estrelas. 4. Três corpos idênticos, de massa m, estão locazilizados nos vértices de um triângulo equilátero de lado a. Calcule a velocidade angular com que eles devem se mover, para que todos realizem movimento circular que circunscreve o triângulo. Dê a resposta em função de G, m e a, onde G é a constante da gravitação universal. 5. A velocidade máxima da rotação de um planeta é aquela para qual a força centrífuga exercida sobre o material no equador é suficiente para igualar a força de atração exrciada sobre o material na superfície do planeta. Mostre que o período mais curto correspondente para essa rotação é dado por: T= 3π Gρ onde ρ é a densidade do planeta, suposta constante. 6. Um astronauta realiza uma órbita rasante a um planeta desconhecido. Calcule a densidade do planeta sabendo que o astronauta possui um relógio. 7. (IME) Um planeta descreve uma órbita elíptica em torno de uma estrela, conforme representa o esquema. Os pontos P1 e P2 indicados correspondem ao periélio e ao afélio, respectivamente, e nesses pontos, o planeta apresenta velocidades de intensidades v1 e v2. Supondo conhecidas as distâncias de P1 e P2 ao Sol (d1 e d2), mostre que d1v1 = d2v2. 8. No problema anterior, considere que o semi eixo maior da órbita elíptica vale a. Calcule os valores de v1 e v2 em função de G, M, e e a, onde G é a constante da gravitação universal, M é a massa da estrela e e é a excentricidade da órbita elíptica. 9. Mostre para a órbita do problema 7, que é válida a terceira Lei de Kepler. T2 4π = 3 a GM 10. Dois planetas de massas m e M encontram-se inicialmente em repouso e separados por uma distância infinita. Calcule o módulo da velocidade de cada um deles, quando a distância entre os seus centros valer d. Dê a resposta em função de m, M, G e d. Gabarito 1. Para resolver este problema devemos considerar que a esfera cheia (sem a cavidade) exerce uma força de atração de intensidade F1 no corpo de massa m e depois descontar a contribuição da massa que compõe a cavidade, que exerce uma força de intensidade F2. Repare que isto equivale a dizer que a cavidade “exerce uma força de repulsão” no corpo de massa m. Cálculo da massa M’, que foi retirada da cavidade: Como a esfera de chumbo era homogênea: M M' M ⇒ M' = = 3 4 8 π R 3 4 π ⎛⎜ R ⎞⎟ 3 3 ⎝2⎠ Cálculo de F1: F1 = GMm d2 Cálculo de F2: M m GMm 8 = F2 = 2 2 R⎞ R⎞ ⎛ ⎛ − 8 d d − ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ 2⎠ 2⎠ ⎝ ⎝ G Portanto, a força resultante será: GMm GMm − F = F1 − F2 = 2 2 d R⎞ ⎛ 8⎜ d − ⎟ 2⎠ ⎝ ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ 1 ⎜ 1 ⎟ F = GMm⎜ 2 − 2 ⎟ d R⎞ ⎛ ⎜ 8⎜ d − ⎟ ⎟⎟ ⎜ 2⎠ ⎠ ⎝ ⎝ 3 2. T = 2π . 3d GM 3. T = 4π . r3 GM 4. F F FR Os três corpos realizarão um movimento circular ao redor do centro de massa comum, que é o baricentro do triângulo formado por eles. Na figura acima F representa o módulo da força de atração gravitacional entre dois corpos e FR, representa a força resultante em um dos corpos. Cálculo de FR: 3Gm 2 FR = 2F cos(30o ) = a2 Cálculo de ω: FR = Fcp 3Gm 2 2 3 = mω 2 . a a2 3 2 3Gm ω= a3 5. – 6. FG R A figura acima ilustra a órbita rasante realizada pelo astronauta. Como o astronauta possui um relógio, ele pode medir o período de revolução de seu movimento. Considere que m seja a massa do astronauta e sua nave, M e R sejam, respectivamente, a massa e o raio do planeta e T o período do movimento do astronauta. Temos que : FG = Fcp 2 GMm GM ⎛ 2π ⎞ M M π π = mω 2 R ⇒ 3 = ⎜ = ⇒ = ⎟ ⇒ 2 3 2 2 4 R R 4π R GT ⎝ T ⎠ 3. π R 3 GT 3 M 3π π = ⇒ρ= 3.V GT 2 GT 2 7. Considere que num intervalo de tempo ∆t muito pequeno o planteta descreveu um arco de comprimento ∆s1 em torno do ponto P1 e num mesmo intevalo de tempo ∆t, descreveu um arco ∆s2 em torno do ponto P2, conforme mostra a figura acima. Como os intevalos de tempo são pequenos, podemos considerar que a velocidade do planeta foi praticamente constante no trecho considerado, portanto: ∆s1 = v1.∆t ∆s 2 = v 2 .∆t As áreas A1 e A2 podem ser calculadas considerando-as triângulos de alturas d1 e d2, respectivamente, portanto: 1 1 ∆s1d1 = v1d1∆t 2 2 1 1 A 2 = ∆s 2 d 2 = v 2 d 2 ∆t 2 2 A1 = Utilizando a 2a Lei de Kepler, vem: A1 = A 2 ⇒ d1v1 = d 2 v 2 8. Fazendo d1 = a – c e d2 = a + c, vem: ( a − c) v1 ( a + c) Dividindo por a em cima em em baixo, vem : 1− e a v2 = v1 , onde e = 1+ e c (a − c) v1 = (a + c) v 2 ⇒ v 2 = Conservando a energia mecânica nos pontos P1 e P2, vem: E M1 = E M 2 E C1 + E P1 = E C2 + E P2 1 GMm 1 GMm mv12 − = mv 22 − 2 ( a − c) 2 (a + c) 2 1 2 1 ⎛ 1 − e ⎞ 2 GMm GMm v1 − ⎜ − ⎟ v1 = 2 2 ⎝1+ e ⎠ (a − c) (a + c) 1 2 ⎛ 4e 2 ⎞ 2c ⎟= 2 v1 .⎜⎜ GM 2 ⎟ 2 ⎝ (1 + e) ⎠ a − c 2 Fazendo c = e.a e simplificando, vem : ⎛ 1 − e ⎞ GM ⎛ 1 + e ⎞ GM v1 = ⎜ e v2 = ⎜ ⎟ ⎟ ⎝1 − e ⎠ a ⎝1 + e ⎠ a 9. Vamos aplicar a 2a Lei de Kepler com a área A1 e a área total da órbita 1 v1 (a − c)∆t A1 π ab π ab = = ⇒ 2 T T ∆t ∆t 2 2 2 1 2 1 1 + e GM π a b π 2a 2 b 2 2 ⇒ − = v1 (a − c) 2 = . . ( a c ) 4 T2 4 1− e a T2 1 + e GM (a − c) 2 4π 2 (a 2 − c 2 ) GM 1 + e 4π 2 (1 − e)(1 + e).a 2 2 = ⇒ − = . . .( 1 e ) 1− e a a2 T2 a 1− e T2 Simplificando, temos: T 2 4π 2 = a 3 GM 10. v1 = 2GM 2 2Gm 2 e v2 = ( M + m)d ( M + m)d SUGESTÃO: Para resolver a questão veja o artigo sobre Conservação da Quantidade de Movimento e Consevação da Energia Mecânica localizado em Tópicos Especiais.