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sexta-feira, 3 de junho de 2011

Por que os SATÉLITES não caem em nossas CABEÇAS?!



Satélite Artificial

O que é um Satélite Artificial?

Satélite artificial é um sistema de equipamento modular que fica na órbita da Terra ou de qualquer outro planeta, com velocidade e altitude constante. O termo satélite é utilizado como sinônimo para satélite artificial, de modo a diferenciar satélite natural, como a Lua, de satélite artificial. (http://www.brasilescola.com/fisica/satelites-artificiais.htm)

Como funciona um Satélite e Por que eles não caem?



Um satélite funciona através de sinais que são emitidos na sua direção. Ao receber tais sinais ele os amplifica, converte e os reenvia através da cadeia emissora do satélite, cujos sinais são destinados a todas as estações que estejam operando com o mesmo sinal radioelétrico do satélite. Isaac Newton, cientista inglês mais conhecido como físico e matemático, pensou em uma experiência que explica a razão pela qual os satélites não caem na Terra. Newton imaginou que com uma velocidade suficientemente elevada e desprezando a resistência do ar é possível colocar um projétil em órbita como um satélite, por exemplo, de forma que o mesmo não caia na Terra. Mas qual é essa velocidade? Através do estudo do movimento circular é possível determinar essa velocidade. Esse é o movimento de uma partícula que possui velocidade inicial e sobre a qual atua uma força de intensidade constate que muda de direção constantemente, estando em cada instante perpendicular à velocidade. (http://www.brasilescola.com/fisica/satelites-artificiais.htm)


Para os apaixonados por FÍSICA, toda a teoria que coloca um satélite em Órbita!!!

Desde o primeiro satélite artificial, o Sputnick, lançado pela União Soviética em 1957, com 83 kg e que alcançava altitude entre 225 e 950 km, mais de 3800 foguetes e 4800 satélites artificiais foram lançados da Terra. Destes, cerca de 3000 estão em funcionamento. Muitos explodiram, dando origem a mais de 100 000 fragmentos, menores que 10 cm, que não podem ser detectados por radares aqui na Terra. Estes fragmentos constituem o lixo espacial. Cerca de 10 mil fragmentos maiores são monitorados aqui da Terra, porque podem causar sérios danos às naves e satélites, tripulados ou não.
Lixo
Qual é a altura de um satélite geoestacionário? Se o satélite é geoestacionário, isto é, permanece posicionado sobre um mesmo local da Terra, então seu período orbital tem que ser igual a um dia sideral = 23h 56m = 86 160 segundos. Usando a Terceira Lei de Kepler,
$P^2 = \frac{4\pi^2}{G(M_T+m_s)}\,a^3$
com MT = 5, 98 x 1024 kg, ms $ \ll$ MT, G = 6, 67 x 10-11 N . m2/kg2, temos:
a = [{P^2GM_T \over 4\pi^2} = 42172 km.
Como o raio da Terra é RT = 6370 km, então a altura será a - RT = 42 172 km - 6370 km = 35 800 km.
Qual é a velocidade de um satélite em órbita circular a 300 km de altura sobre a Terra?
v = $ \sqrt{\mu \left({2 \over r} - {1 \over a}\right)}$,
mas para uma órbita circular r=a, de modo que:
vcirc = $ \sqrt{{\mu \over r}}$.
Como r= 300 km + RT = 6670 km:
vcirc = $ \sqrt{{GM_T}\over r}$ = 7, 5 km/s.
Qual é o período orbital?
$P^2 = \frac{4\pi^2}{G(M_T+m_s)}\,a^3$=90 minutos.
Considerando que a órbita de menor energia para lançamento de uma nave a Marte, conhecida como transferência de Hohmann pois foi proposta pelo engenheiro alemão Walter Hohmann (1880-1945) em 1925, é aquela que tem uma distância no perihélio de 1UA (a da órbita da Terra) e uma distância de afélio de 1,52 UA (a da órbita de Marte), qual é o tempo de viagem?
orb
O a da órbita do nave é
a = $ {r_P + r_A \over 2}$ = 1, 26 UA,
e portanto seu período é:
$P^2 = \frac{4\pi^2}{G(M_\odot+m_n)}\,a^3 \rightarrow P= 1,41\, {\rm anos}$
O tempo de viagem será metade do período orbital, portanto de 8,5 meses. Qual a velocidade de lançamento?
v = $ \sqrt{\mu \left({2 \over r} - {1 \over a}\right)}$,
e r=1 UA. Logo v= 33 km/s. Considerando-se que a Terra orbita o Sol com velocidade de:
v = $ \left(\vphantom{{2\pi\cdot 1UA \over 1\,{\rm ano}}}\right.$$ {2\pi\cdot 1UA \over 1\,{\rm ano}}$ $ \left.\vphantom{{2\pi\cdot 1UA \over 1\,{\rm ano}}}\right)$ = 30 km/s,
só precisamos lançar a nave com 3 km/s, na mesma direção da órbita da Terra. Note que o lançamento da nave tem que ser bem programado para que Marte esteja na posição da órbita que a nave chegará.
Hohmann A manobra de Hohmann também é utilizada para lançar um satélite em órbita geocêntrica a partir de uma órbita de baixa altitude, primeiro colocando o satélite em uma órbita elipsoidal com distância geocêntrica igual a da órbita desejada e depois circularizando a órbita.
Qual é o semi-eixo maior da órbita de um satélite lançado a 300 km de altura com uma velocidade de 10 km/s?
v = $ \sqrt{\mu \left({2 \over r} - {1 \over a}\right)}$,
eliminado a, obtemos a = 3, 17 RT.
Se quisermos enviar um satélite até a Lua ou qualquer outro planeta, precisamos primeiro vencer o campo gravitacional da Terra. Qual é a velocidade necessária para um satélite artificial escapar do campo gravitacional da Terra?
Como a massa do satélite pode ser desprezada em relação à massa da Terra:
v_esc=11,2 km/s
Um satélite artificial está sujeito à fricção com a atmosfera da Terra, causando o decaimento da órbita. Se o satélite se encontrar abaixo de 160 km da superfície da Terra, este decaimento dura somente alguns dias, e a desintegração ocorre a uma altitude de cerca de 80 km. Acima de 600 km, a fricção é tão pequena que a órbita geralmente dura mais do que 10 anos, ou seja, acima do tempo de vida operacional do satélite.

Manobras Gravitacionais

Os foguetes podem lançar as naves na direção de um corpo celeste, como a Lua, e daí para frente, a gravidade da Lua, passa a atrair a nave e a aumentar a sua velocidade. Se o trajeto for bem calculado, pode-se até mudar o rumo da nave no caminho, fazendo-a passar de raspão pela Lua e depois prosseguir na direção que queira. É possível até fazê-la tomar o destino de outro corpo celeste, como Marte, ou Júpiter, que então tornam a acelerar a nave na continuação da viagem, seja qual for.
O método mais antigo usado para utilizar a gravidade como acelerador é a chamada transferência de Hohmann, proposta pelo engenheiro alemão Walter Hohmann (1880-1945): primeiro, impulsiona-se a nave com o foguete até uma órbita circular baixa em volta da Terra. Em seguida, aplica-se um impulso, com os motores da própria nave, que modifica a órbita: ela deixa de ser circular e se torna uma elipse alongada. Quando a nave se encontra no ponto mais alongado da elipse, aplica-se um novo impulso para colocá-la em uma nova órbita circular, só que bem mais alta que a primeira. É uma manobra cara porque os impulsos necessários são grandes e exigem grandes quantidades de combustível. A transferência de Hohmann serviu desde o início da era espacial para colocar satélites em orbita da Terra e até para enviar naves à Lua. Os progressos da Astrodinâmica têm mostrado como se deve proceder para aproveitar ao máximo a energia gravitacional durante os vôos espaciais. Hoje se analisa a atração gravitacional de vários corpos para descobrir quais são as trajetórias naturais existentes entre eles - ou seja, as rotas criadas pela gravidade e que as naves podem utilizar com vantagem. Se uma nave for lançada em uma trajetória adequada, ela pode seguir uma trajetória natural na qual não será necessário gastar nenhuma energia. A Mecânica Celeste mostra que existem pontos especiais, chamados pontos de Lagrange, nos quais a soma de várias atrações gravitacionais cria inúmeras possibilidades interessantes. Aí se cruzam infinitas trajetórias, bem diferentes uma da outra. E quando se dirige uma sonda para uma dessas regiões, basta um pequeno gasto de energia para alterar o seu movimento. É como se, no espaço houvessem superhighways interplanetarias, conectando os diversos pontos de Lagrange dos planetas do Sistema Solar. O problema é que essas trajetórias naturais são cheias de curvas e atalhos, que tornam as viagens demoradas. Ou seja, o que se ganha em energia, paga-se com tempo.
(http://astro.if.ufrgs.br/kepleis/node13.htm)

Fontes:
  • http://www.brasilescola.com/fisica/satelites-artificiais.htm
  • http://astro.if.ufrgs.br/kepleis/node13.htm
  • Google Imagens


"A gravidade explica os movimentos dos planetas, mas não pode explicar quem colocou os planetas em movimento. Deus governa todas as coisas e sabe tudo que é ou que pode ser feito." Isaac Newton




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