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Enunciado

Física - Física de Sears & Zemansky: Mecânica Volume 1 - 12ª Edição - Hugh D. Young e Roger A. Freedman- Ed: 12º - Capítulo 11.Problemas - Ex. 65

12.65. Uma espaçonave sem tripulação descreve uma órbita circular em torno da Lua, observando a superfície da Lua de uma altura de 50,0 km (ver Apêndice F). Para surpresa dos cientistas na Terra, devido a uma falha elétrica um dos motores da espaçonave deixa de funcionar, fazendo sua velocidade diminuir 20,0 m/s. Caso nada seja feito para corrigir sua órbita, com que velocidade (em km/h) a espaçonave atingiria a superfície da Lua?

Passo 1

Opa, bora resolver esse problema! Temos uma nave espacial que está orbitando em torno da lua. Depois de uma falha elétrica um dos motores da espaçonave deixa de funcionar e sua velocidade diminui 20,0 m/s.

Aí o que temos que responder é, com que velocidade (em km/h) a nave espacial vai atingir a superfície da lua?!

A espaçonave está numa órbita circular, então:

F g = F C

Ou

G M m r 2 = m v 2 r

Assim a gente pode descobrir a velocidade com que ele está orbitando:

v 2 = G M r

Agora é só passar a raiz:

v = G M r

Agora chegou o momento de olha no Apêndice F. A distância na equação será a distância da espaçonave até o centro da Lua:

v = 6,6742 ⋅ 10 - 11 ⋅ 7,35 ⋅ 10 22 1,74 ⋅ 10 6 + 50000

Fazendo essa continha temos:

v = 1655,45 m s

Passo 2

A velocidade vai reduzir, e quando isso acontecer a órbita não será mais circular, mas sim elíptica, e o raio se torna agora o apogeu do movimento. Agora o que precisamos saber é se o perigeu é menor do que o raio da Lua. Para calcular o perigeu pudemos usar:

a = 1 2 r a + r p

Para isso a gente precisa encontrar o semieixo maior, podemos fazer isso através da energia.

A velocidade diminuiu em 20 m s , então a nova velocidade é 1655,45 - 20 = 1635,45 m s

Agora que temos a velocidade da espaçonave, vamos calcular a energia da nave

E = K + U

A gente pode calcular a energia de outro modo também:

E = - G M 2 a

Então

- G M 2 a = K + U

Ou

- G M m 2 a = m v 2 2 - G M m r

A gente pode isolar o semieixo maior:

- G M = v 2 2 - G M r 2 a

Então

- G M 2 v 2 2 - G M r = a

Agora é só substituir os valores:

a = - 6,6742 ⋅ 10 - 11 ⋅ 7,35 ⋅ 10 22 2 1635,45 2 2 - 6,6742 ⋅ 10 - 11 ⋅ 7,35 ⋅ 10 22 1,74 ⋅ 10 6 + 50000

Fazendo essa continha temos:

a = 1,748 ⋅ 10 6   m

Agora que temos o semieixo maior, podemos calcular o perigeu:

a = 1 2 r a + r p

Vamos isolar:

r p = 2 a - r a

Substituindo os valores:

r p = 2 ⋅ 1,748 ⋅ 10 6 - 1,74 ⋅ 10 6 + 50000

Isso vai dar:

r p = 1,706 ⋅ 10 6   m

Então o perigeu é menor que o raio da Lua, em algum momento a espaçonave vai bater na superfície.

Passo 3

A gente pode calcular a velocidade agora através da conservação da energia

E i = E f

E i = K f + U f

Então

- G M m 2 a = - G M m r f + m v f 2 2

Agora é só isolar a velocidade:

v f 2 2 = G M - 1 r f + 1 2 a

v f = 2 G M - 1 r f + 1 2 a

Agora é só substituir os valores:

v f = 2 ⋅ 6,6742 ⋅ 10 - 11 ⋅ 7,35 ⋅ 10 22 ⋅ - 1 1,74 ⋅ 10 6 + 1 2 1,748 ⋅ 10 6

Fazendo essa continha:

v f = 1,682 ⋅ 10 3 m s

Mas o exercício pede em k m h . Vamos converter:

v f = 1,682 ⋅ 10 3 ⋅ 3,6 = 6057 k m h

Prontinho!!

Resposta

v = 6057 k m h

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