3.5: Movimentos de satélites e naves espaciais

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Explique como um objeto (como um satélite) pode ser colocado em órbita ao redor da Terra
• Explique como um objeto (como uma sonda planetária) pode escapar da órbita

A lei universal da gravitação de Newton e as leis de Kepler descrevem os movimentos dos satélites terrestres e das naves espaciais interplanetárias, bem como dos planetas. O Sputnik, o primeiro satélite artificial da Terra, foi lançado pela então chamada União Soviética em 4 de outubro de 1957. Desde aquela época, milhares de satélites foram colocados em órbita ao redor da Terra, e naves espaciais também orbitaram a Lua, Vênus, Marte, Júpiter, Saturno e vários asteróides e cometas.

Quando um satélite artificial está em órbita, seu comportamento não é diferente do de um satélite natural, como a nossa Lua. Se o satélite for alto o suficiente para ficar livre do atrito atmosférico, ele permanecerá em órbita para sempre. No entanto, embora não haja dificuldade em manter um satélite quando ele estiver em órbita, uma grande quantidade de energia é necessária para levantar a espaçonave da Terra e acelerá-la até a velocidade orbital.

Para ilustrar como um satélite é lançado, imagine uma arma disparando uma bala horizontalmente do topo de uma alta montanha, como na Figura\(\PageIndex{1}\), que foi adaptada de um diagrama semelhante de Newton. Imagine, ainda, que o atrito do ar possa ser removido e que nada atrapalhe a bala. Então, a única força que atua na bala depois que ela sai do focinho é a força gravitacional entre a bala e a Terra.

Figura\(\PageIndex{1}\): (a) Para os caminhos a e b, a velocidade não é suficiente para impedir que a gravidade puxe a bala de volta para a Terra; no caso c, a velocidade permite que a bala caia completamente ao redor da Terra. (b) Este diagrama de Newton em seu Sistema De Mundi, edição de 1731, ilustra o mesmo conceito mostrado em (a).

Se a bala for disparada com uma velocidade que podemos chamar\(v_a\), a força gravitacional que atua sobre ela a puxa para baixo em direção à Terra, onde atinge o solo em um ponto\(a\). No entanto, se receber uma velocidade de focinho mais alta\(v_b\), sua velocidade mais alta o levará mais longe antes de atingir o solo em um ponto\(b\).

Se nossa bala receber uma velocidade de focinho alta o suficiente,\(v_c\), a superfície curva da Terra faz com que o solo permaneça à mesma distância da bala, de modo que a bala caia ao redor da Terra em um círculo completo. A velocidade necessária para fazer isso, chamada de velocidade circular do satélite, é de cerca de 8 quilômetros por segundo, ou cerca de 17.500 milhas por hora em unidades mais conhecidas.

A cada ano, mais de 50 novos satélites são lançados em órbita por nações como Rússia, Estados Unidos, China, Japão, Índia e Israel, bem como pela Agência Espacial Europeia (ESA), um consórcio de nações europeias (Figura\(\PageIndex{2}\)). Hoje, esses satélites são usados para rastreamento meteorológico, ecologia, sistemas de posicionamento global, comunicações e fins militares, para citar alguns usos. A maioria dos satélites é lançada em órbita baixa da Terra, pois isso requer a energia mínima de lançamento. Na velocidade orbital de 8 quilômetros por segundo, eles circulam o planeta em cerca de 90 minutos. Algumas das órbitas muito baixas da Terra não são indefinidamente estáveis porque, à medida que a atmosfera da Terra aumenta de tempos em tempos, um arrasto de atrito é gerado pela atmosfera nesses satélites, eventualmente levando a uma perda de energia e “decaimento” da órbita.

Figura\(\PageIndex{2}\): Esta figura mostra os pedaços maiores de detritos orbitais que estão sendo rastreados pela NASA na órbita da Terra.

Espaçonave interplanetária

A exploração do sistema solar foi realizada em grande parte por espaçonaves robóticas enviadas aos outros planetas. Para escapar da Terra, essas naves devem atingir a velocidade de fuga, a velocidade necessária para se afastar da Terra para sempre, que é de cerca de 11 quilômetros por segundo (cerca de 25.000 milhas por hora). Depois de escapar da Terra, essas naves se dirigem até seus alvos, sujeitas apenas a pequenos ajustes de trajetória fornecidos por pequenos foguetes propulsores a bordo. No voo interplanetário, essas espaçonaves seguem órbitas ao redor do Sol que são modificadas somente quando passam perto de um dos planetas.

Ao se aproximar de seu alvo, uma espaçonave é desviada pela força gravitacional do planeta para uma órbita modificada, ganhando ou perdendo energia no processo. Na verdade, os controladores de espaçonaves conseguiram usar a gravidade de um planeta para redirecionar uma espaçonave voadora para um segundo alvo. Por exemplo, a Voyager 2 usou uma série de encontros assistidos por gravidade para produzir sobrevoos sucessivos de Júpiter (1979), Saturno (1980), Urano (1986) e Netuno (1989). A espaçonave Galileo, lançada em 1989, passou por Vênus uma vez e pela Terra duas vezes para obter a energia necessária para atingir seu objetivo final de orbitar Júpiter.

Se quisermos orbitar um planeta, devemos desacelerar a espaçonave com um foguete quando a espaçonave estiver perto de seu destino, permitindo que ela seja capturada em uma órbita elíptica. É necessário um impulso adicional de foguete para derrubar um veículo da órbita para pousar na superfície. Finalmente, se uma viagem de volta à Terra for planejada, a carga útil aterrissada deve incluir potência propulsiva suficiente para repetir todo o processo ao contrário.

Conceitos principais e resumo

A órbita de um satélite artificial depende das circunstâncias de seu lançamento. A velocidade circular do satélite necessária para orbitar a superfície da Terra é de 8 quilômetros por segundo, e a velocidade de fuga do nosso planeta é de 11 quilômetros por segundo. Há muitas trajetórias interplanetárias possíveis, incluindo aquelas que usam sobrevoos assistidos pela gravidade de um objeto para redirecionar a espaçonave em direção ao próximo alvo.

Glossário

velocidade de escape

a velocidade que um corpo deve atingir para se afastar da gravidade de outro corpo