Antes de mais nada, você sabe o que é um satélite? Eles são objetos orbitando em volta de algum planeta, como a Lua em volta da Terra! Mas como isso é possível? A gravidade não puxaria esse objeto em direção ao chão? Ela puxa! Vamos entender: imagine que você está em cima de uma montanha e atira uma pedra. Essa pedra terá uma certa trajetória até alcançar o chão, certo?
Se você atirar a pedra com mais força, ela irá mais longe antes de alcançar o chão, concorda? Exatamente como nessa imagem abaixo.
Agora, imagine que você joga com tanta força essa pedra que ela atinja uma velocidade igual ou maior que 8 km/s. Observe bem, são quilômetros por segundo! (Se isso não estiver te parecendo rápido, utilize as técnicas que aprendemos para conversão de unidades e transforme este valor em quilômetros por hora. Você irá encontrar o gigantesco valor de 29.000 km/h!) O que vai acontecer é que essa pedra vai dar uma volta em torno do planeta, retornando ao lugar de onde foi lançada! Ela obviamente perderá velocidade por causa do atrito com o ar, certo? Agora imagine que o lançamento da pedra seja feito de um lugar tão alto que a resistência do ar simplesmente não importe. O que você acha que aconteceria com ela? Sim, isso mesmo! Ela ficaria girando em torno da Terra para sempre!
Pronto, acabamos de entender o que é um satélite! A partir do momento em que a pedra começasse a orbitar em torno da Terra, ela se tornaria um satélite.
Importante saber! É a força gravitacional que impede que os satélites simplesmente saiam pela tangente e se afastem da Terra. Essa força também faz com que eles estejam sempre “caindo” sobre a Terra, mas de uma forma que nunca cheguem a se aproximar da superfície do planeta.
O Movimento de Órbita dos Satélites
Satélites são, basicamente, aplicações práticas das três Leis de Kepler. Ao contrário do que nossa intuição nos leva a acreditar, normalmente a trajetória deles não é perfeitamente circular, mas elíptica, como a Primeira Lei de Kepler nos diz! Espera aí! Percebeu que foi dito que normalmente a trajetória não é circular? Isso quer dizer que existem alguns casos em que ela é! E quando isso acontece? Para cada altura (distância da superfície da terra) em que o satélite se encontra, existe uma relação que nos permite calcular a velocidade necessária para ele descrever uma trajetória circular, ou seja, um MCU (sim, aquele mesmo que estudamos no capítulo de Cinemática!).
Nessa relação, “M” é a massa do planeta que o satélite está orbitando e “r” é a distância do satélite até o centro deste planeta. “G” representa a nossa velha conhecida constante de gravitação universal.
Quer ver isso na prática? Vamos calcular qual a velocidade que um satélite se movendo na superfície da Terra precisa ter para se mover em uma órbita circular! Vamos utilizar 5,98 × 1024 quilogramas para a massa da Terra (M), 6,67 × 10-11 Nm2/kg2 para a constante gravitacional universal (G) e 6,37 × 106 m para o raio da Terra (r). Substituindo na equação que acabamos de ver:
Lembrando que a unidade Newton (N) é resultado do produto da massa (kg) pela aceleração(m/s2), podemos simplificar as unidades e chegar na seguinte expressão:
Realizando as multiplicações e divisões iremos encontrar o seguinte valor:
Como os valores utilizados para “M”, “G” e “r” foram aproximados no início do cálculo, podemos dizer que esse valor encontrado é aproximadamente igual a 64.000.000 m²/s².
Ou seja, para que um satélite conseguisse se manter circulando rente a superfície da Terra, ele teria que ser lançado a impressionantes 29.000 km/h!
Tenho certeza que, durante o cálculo que fizemos, você percebeu que a velocidade de um satélite é inversamente proporcional a distância que ele está da Terra, certo? Mas o que isso quer dizer? Quer dizer que quanto mais afastado do planeta, menor é a velocidade que o satélite precisa ter para se manter em órbita! Isso também é explicado através do campo gravitacional. Como sua intensidade diminui conforme a distância da Terra aumenta, uma velocidade alta seria suficiente para fazer os satélites escaparem de órbita (sair pela tangente!).
No movimento dos satélites, a força gravitacional do planeta atua como força centrípeta. Assim, a aceleração da gravidade atua como aceleração centrípeta e, por isso, possui sua direção sempre perpendicular ao raio da órbita que o satélite faz.
Resgatando alguns conceitos que vimos na apostila de Cinemática, conseguimos concluir que, pela trajetória dos satélites ser arredondada, não existe aceleração tangencial atuando sobre eles. Cuidado para não confundir aceleração com velocidade! A velocidade tangencial do satélite existe e é responsável por mantê-lo em órbita.
Satélites Naturais
Você deve ter percebido que utilizamos a Lua como exemplo no início do nosso estudo sobre os satélites. Entretanto, naquele momento, você não tinha o conhecimento que tem agora sobre o que realmente é um satélite. A Lua não orbita em torno de um planeta em uma trajetória elíptica? Não é a força gravitacional que a Terra faz sobre a Lua que a mantém em sua órbita? Bem, essa é exatamente a descrição de um satélite! Dizemos que a Lua é um satélite natural do planeta Terra. Mas por que natural? Porque ela já existia lá antes mesmo de o ser humano existir, não foi colocada por nenhuma pessoa.
Já ouviu falar em Superlua? Aquele fenômeno que faz a Lua parecer muito maior no céu? Você tem ideia de por que isso acontece? Vamos fazer assim: antes de continuar lendo, volte à parte em que estudamos a Primeira Lei de Kepler e tente fazer uma relação com o que estudamos sobre a trajetória da Lua.
Voltou? E então, conseguiu relacionar? É exatamente a mesma explicação do periélio e do afélio! O fenômeno da Superlua acontece quando a Lua está no ponto de sua trajetória mais próximo da Terra, o chamado Perigeu!
Quando estamos falando em satélites em torno da Terra, nos referimos ao ponto da trajetória onde o satélite está mais próximo do planeta como Perigeu e o ponto onde ele está mais afastado como Apogeu.
Satélites Artificiais
Se satélites naturais são aqueles em que não houve interferência do ser humano, os artificiais são justamente aqueles que foram colocados em órbita por nós!
Depois que o ser humano descobriu como colocar objetos em órbita, a aplicação dos satélites em nosso cotidiano se tornou imprescindível! Sabe a previsão do tempo que você olha antes de sair de casa? Ou, então, aquele filme na televisão por assinatura que você assiste para descansar? Ou o GPS que te guiou até a festa? Lembra disso? Essas são apenas três aplicações simples da utilização de satélites. E não para por aí, eles também servem para diversos estudos sobre o nosso planeta e o universo!
Mas, espera aí… Como eles são colocados tão acima da superfície? Simples, através de foguetes! Esse foguetes levam os satélites até a atmosfera com a velocidade necessária para que eles entrem em órbita. Um detalhe interessante é que o lançamento desses foguetes é uma aplicação direta da Terceira Lei de Newton. Vamos entender: uma enorme quantidade de energia é liberada no momento em que ocorre a queima dos combustíveis na base do foguete. Com isso, uma enorme força é feita para baixo empurrando os gases que surgem com a combustão e, pela terceira lei de Newton, se o foguete empurra os gases para baixo, os gases empurram o foguete para cima!
Então, conseguiu aprender um pouco mais sobre o universo? Esperamos que sim! A gravitação e o estudo dos astros é uma das partes mais interessantes da Física. Se você se interessou pelo assunto, não deixe para depois: procure outros livros e estude mais, você não vai se arrepender!