3ª Lei de Newton no espaço

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perguntou 31 Out, 2016 em Astrofísica por newton's disciple (220 pontos)
reclassificado 6 Nov, 2016 por Guilherme de Almeida
Uma vez que não existe atmosfera no espaço, que lei da física rege a paragem/arranque e viragem das naves e satélites no espaço? Como criam impulso/ empuxo em vazio?

Agradeço antecipadamente
  

3 Respostas

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respondida 8 Nov, 2016 por João Calhau Super-Nova (13,660 pontos)
selecionada 8 Nov, 2016 por newton's disciple
 
Melhor resposta

Olá,

Vou meter-me também ao barulho :-) e tentar dar um exemplo do dia a dia ao que ja foi dito (e bem) pelos restantes participantes.

A lei da física que rege o movimento de naves e satélites no espaço é a chamada lei da acção-reacção, que correctamente identificou como 3a lei de Newton. Esta lei verifica-se em todo o lado, mesmo aqui na Terra ou lá fora no vácuo independentemente de existir ar ou não. Pode verifica-la você mesmo se, colocando-se no meio de uma pista de gelo, tentar empurrar um bloco pesado. Reparará que não só o bloco se mexe para a frente como também quem empurra é atirado para trás. Esta é a 3a lei de Newton em acção e é exactamente o que se passa no espaço com as naves. Na verdade, a razão pela qual disse que deveria fazer a experiência numa pista de gelo foi exactamente para simular a condição crucial que encontra no espaço (para esta questão): a ausência de atrito.

O atrito é uma força que se exerce sempre que duas superfícies se encontram em contacto uma com a outra e é a razão pela qual conseguimos andar, por exemplo. Sem atrito, andaríamos por ai a escorregar sem conseguir andar para lado nenhum. O gelo, por ter baixo atrito, simula relativamente bem o espaço exterior na medida em que este ultimo, por ter pouca matéria (o vácuo não é o nada - o espaço exterior não é completamente livre de partículas) não oferece resistência nenhuma ao movimento - poderá ser difícil andar em cima do gelo, mas por outro lado conseguira observar a 3a lei em acção.

Com as naves espaciais passa-se o mesmo:  nave empurra o combustível nos tanques na forma de jactos para fora da nave, e esse combustível por sua vez empurra a nave para a frente, tal como acontece entre a pessoa e o bloco em cima da pista de gelo. Claro que no espaço não temos a superfície do gelo e, portanto, este efeito pode ser verificado em qualquer direcção. Por isso é que os aparelhos têm diversas saídas pequenas nas extremidades que lhes permite atirar jactos concentrados e "virar" em pleno espaço.

É diferente do que se passa com os aviões na Terra. Embora a 3a lei de Newton também entre em efeito ao empurrar os aviões para a frente, não é esse movimento, estritamente, que os faz voar. É antes a forma das asas que, ao obrigar o ar a passar de certa forma por elas, cria diferenças de pressão entre a parte de cima e de baixo da asa. Basicamente, na parte superior da asa, a pressão é mais baixa, pelo que a asa é sugada para cima e puxa o avião com ela, fazendo-o levantar voo.

No espaço isto não acontece e uma nave ou um satélite não precisa de asas para navegar o espaço exterior. Estas so são necessárias a partir do momento em que entra na atmosfera.

Espero ter contribuido algo.

comentou 8 Nov, 2016 por newton's disciple (220 pontos)

Prezado João Calhau. Respondeu perfeitamente à minha pergunta com a sua expressão (o vácuo não é o nada - o espaço exterior não é completamente livre de partículas). A minha dúvida era apenas como se aplicava a 3ª de Newton no vácuo. Não sabia que as escassas (comparativamente com a atmosfera terrestre) partículas existentes no espaço criavam resistência suficiente (como o bloco de gelo no seu exemplo). Todas as questões aqui abordadas, como a relação de forças que permite um avião voar, ou como funciona uma turbina num motor de jacto e a explicação de que os satélites ainda estão ao "alcance" da gravidade da terra (a lua está muito mais afastada e está "presa" à terra), desviaram-nos um pouco da questão inicial. A pergunta não era o que era a 3ª a terceira lei de Newton, ou como ela actua sobre os corpos, mas como ela se aplicava no espaço (que eu pensava muito mais "vazio"). Obrigado a todos que contribuíram para que eu compreendesse melhor este assunto, em especial ao Professor Guilherme Almeida que foi incansável no esforço com os seus contributos.Bem Hajam e até breve que eu tenho muitas dúvidas que gostaria de colocar.

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respondida 5 Nov, 2016 por LUIS B. AstroNovato (640 pontos)
Se bem entendi a sua pergunta, creio que deu a resposta no próprio título.

Quanto à explicação física, pode encontrá-la na resposta dada por Guilherme de Almeida à pergunta: "Em filmes de 'ficção', vemos naves espaciais inclinarem-se ao curvar. Faz sentido?".

Espero ter ajudado.
comentou 5 Nov, 2016 por newton's disciple (220 pontos)
Continuo com a mesma dúvida. Em termos aerodinâmicos e de forma simples, um avião cria empuxo ao aspirar o ar existente à sua frente empurrando-o contra o ar existente atrás, gerando movimento no sentido oposto. No espaço, o que é que é aspirado para criar essa força propulsora, se não existe nada à frente ou atrás?
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respondida 6 Nov, 2016 por Guilherme de Almeida Galáctico (25,370 pontos)
editado 6 Nov, 2016 por Guilherme de Almeida

Respondendo a «Newton's disciple»,  a propulsão nas condições que refere faz-se pela emissão de matéria existente dentro da nave (melhor dizendo, nos foguetões de controlo), lançada para o exterior com velocidade elevada.  É mais ou menos como o "coice" de uma espingarda, só que em vez de lançar apenas uma bala lança  moléculas de gás, num número elevadíssimo por segundo, a grande velocidade.

Pode ser a emissão de um gás, a reacção química entre dois componentes que faz ejectar o gás resultante da reacção química, etc. Se num pequeno intervalo de tempo a nave emite matéria de massa m à velocidade v  (velocidade em relação ao centro de massa do sistema m+M), a nave, de massa M, adquire a velocidade -V (sentido oposto ao de v) de tal modo que m v = M V . É claro que não o pode fazer indefinidamente, pois a certa altura esgota-se o material (que apenas se poderá repor com reabastecimento).

Como m é muito menor do que M, segue-se que V será muito menor do que v. Importa por isso que a emissão de matéria se faça com grande velocidade v. Numa aproximação razoável, justificada pelo facto de m ser pequeníssima face a M, pode assumir-se que M não varia com a saída de m.

Numa emissão continuada, por exemplo de um jacto de gás (mas continuando a utilizar a aproximação
M –m ~ M), podemos escrever

F = – f ,

onde F é a força que o gás, ao sair, exerce na navee f a força que a nave exerce para impulsionar a saída do mesmo gás (actua no gás). Como m << M, apesar da igualdade da intensidade das forças, a aceleração da nave é muito menor do que a do gás. A eficiência do sistema exige que se gaste pouco material emitido, ejectando-o com elevada velocidade.

NOTA: não é preciso existir o "ar ambiente atrás", que refere. Isso só atrapalhava. Veja, por exemplo, o caso de um astronauta em volta do telescópio espacial Hubble (HST), e parado em relação a ele. Se o astronauta atirar uma chave de porcas num dado sentido, por exemplo no sentido oposto ao Hubble, isso vai fazer com que ele (astronauta) adquira velocidade aproximando-se do HST.

Dado que ninguém quer perder ferramentas, o astronauta tem uma mochila com saídas reguláveis de jactos (gás pressurizado) em várias direcções, para se poder auto-pilotar, mas o princípio é o mesmo. Escolhendo quais dos jactos utiliza, e por quantos segundos, ele controla os seus movimentos em relação ao Hubble.

GA

comentou 6 Nov, 2016 por newton's disciple (220 pontos)
Caro GA, a sua resposta foi excepcional. Talvez eu não saiba expor bem a minha dúvida, mas com a vossa ajuda eu chego lá. A minha dúvida não se resume à proveniência da matéria usada para gerar o "tal empuxo". Usando o seu excelente exemplo do "coice" da espingarda, que acontece devido à força resultante dos gases em expansão contra os gases (ar) da atmosfera (daí o título que dei à minha pergunta), pensava que na ausência de ar essa força resultante não acontecia por não haver resistência (atrito, fricção- não sei qual o termo mais indicado).               Agradeço imenso as explicações
comentou 6 Nov, 2016 por Guilherme de Almeida Galáctico (25,370 pontos)
editado 6 Nov, 2016 por Guilherme de Almeida

Agradeço a sua simpática informação de retorno.

No caso em que há ar em volta da espingarda, o "coice" continua a não ter a ver com a presença do ar exterior. É verdade que, junto com a bala, sai um jacto de gases quentes do cano da espingarda, que empurram o ar envolvente para a frente e ao avanço desse ar quente opõe-se a força resistente do ar atmosférico, que actua no ar quente que sai e não na arma, não contribuindo para o "coice" da arma.

A bala, por sua vez, empurra o ar para a frente (pouco, por ser de forma aerodinâmica) e o ar, por reacção oferece alguma resistência à progressão da bala. Por isso mesmo, a bala perde velocidade e não vai tão longe como iria no vácuo, mas a força resistente que o ar exerce na bala determina perda gradual de energia cinética do projéctil, mas não tem nada a ver com o coice da arma.

Mesmo nos aviões a jacto, o ar empurrado para trás(*), por compressão e aquecimento, faz avançar o avião pela lei da acção-reacção (3.º lei de Newton) e não porque o ar que vai para trás se vá "apoiar" no restante ar que envolve o aparelho pela parte traseira.

A única razão pela qual um avião a jacto clássico não funciona no vácuo tem a ver com a inexistência de ar para entrar à frente e com a ausência de oxigénio (desse ar) para alimentar a combustão dentro do reactor. Por isso, um foguetão tem de levar lá dentro o material que vai projectar para trás, ou levar dois ou mais componentes que, misturados alimentam o processo.

(* ) Na realidade é ar misturado com produtos da combustão dentro do reactor. 

GA

comentou 6 Nov, 2016 por newton's disciple (220 pontos)
Eu pensava que o coice da espingarda se devia mais à reacção da saída dos gases da explosão e do ar empurrado do cano pelo projéctil, que propriamente pela bala devido à sua aerodinâmica. Mas voltando à minha questão central, sempre pensei que o que impulsionava o jacto para a frente fosse a reacção dos gases expelidos contra o ar (atmosfera). Nesse caso, a acção-reacção é feita entre os gases expelidos pelo jacto em reacção com que matéria?

Agradeço imenso a sua ajuda e paciência.
comentou 7 Nov, 2016 por Guilherme de Almeida Galáctico (25,370 pontos)
editado 7 Nov, 2016 por Guilherme de Almeida
O par acção-reacção (na propulsão a jacto) é constituído pelas duas forças seguintes:

1. A força que o motor a jacto exerce, empurrando fortemente o ar* para trás;

2.  A reacção que o ar, empurrado para trás exerce sobre o motor (actua no motor).

Imagine que uma pessoa "A", de 80 kg, sobre patins, empurra um carrinho de supermercado, de 10 kg. Suponha inicialmente os dois (A e o carrinho) parados sobre uma superfície plana, lisa e horizontal. Se A empurra o carrinho com a velocidade de 2 m/s, para sul (medidos em relação ao solo), a conservação do momento linear determina que

0 = 80xV  –10x2,

e portanto V = 20/80 = 0,25 m/s

Como considerámos  que o sentido para sul era o sentido negativo, o facto de a velocidade V, de A, vir positiva, significa que essa velocidade tem sentido contrário ao do carrinho. Ou seja, o carrinho é empurrado para sul e A, por reacção, é empurrado para norte com velocidade 0,25 m/s. Isto  foi só um carrinho. Imagine agora que A vai passando por vários carrinhos e que os vai empurrando sucessivamente...

Como uma imagem vale por mil palavras, veja aqui estas animações:





http://abertoatedemadrugada.com/2013/10/como-funcionam-os-motores-jato.html

https://www.carrodegaragem.com/como-funcionam-turbinas-aviao/

http://historia-do-brasil-e-do-mundo.hi7.co/motor-a-jato-56c53467abd0d.html

GA
comentou 7 Nov, 2016 por newton's disciple (220 pontos)
Vou reformular a minha pergunta. A capacidade de um objecto voar (avião) depende da aplicação de forças, certo? Na atmosfera terrestre precisamos de forças de tracção e sustentação para vencer o arrasto e o peso.

No espaço, onde não não temos que vencer o arrasto e o peso, que forças precisamos aplicar para colocar um objecto em movimento? Uma nave que sai da atmosfera terrestre não tende a continuar em seu movimento uniforme em linha reta? E quando em repouso, que força se aplica para lhe dar movimento?

Muito agradecido
comentou 7 Nov, 2016 por Guilherme de Almeida Galáctico (25,370 pontos)
editado 8 Nov, 2016 por Guilherme de Almeida

Em imponderabilidade (ausência aparente de peso, como sucede em órbita), os objectos continuam a ter massa. E ter massa é ter inércia. Por exemplo, se um astronauta estiver em volta do Telescópio Espacial Hubble (HST) a fazer uma reparação, e se lhe der na cabeça para empurrar violentamente o HST, o HST quase não ganha velocidade, mas o astronauta sai disparado em sentido oposto.

Não haver peso não significa que se possa empurrar um elefante com a facilidade com que se empurra uma caneta! Lembra-se do exemplo  que lhe dei antes, do homem em patins e do carrinho de supermercado?. É semelhante, mas a desproporção de massas é ainda maior. Não sei a massa do HST, mas admitamos que era 8000 kg. Se o homem (de 80 kg) começasse a recuar com a velocidade de 1 m/s, o HST iria em sentido oposto à velocidade de 0,01 m/s =1 cm/s. E haveria muito pequenas alterações orbitais do HST, mas o homem, se não tivesse a mochila de navegação (de que já falei) iria perder-se para sempre....

Note que a imponderabilidade em órbita não significa  estar fora do campo gravitacional terrestre. Existe o mito de se considerar que "fora da atmosfera da Terra = livre da gravidade terrestre", o que não é verdade. Por exemplo, um objecto de massa 1,0 kg, na superfície da Terra tem o peso de aproximadamente 9,8 N (note que N é o símbolo do newton, unidade SI de força); caso o mesmo objecto esteja a uma altitude igual à medida do raio terrestre (aprox 6400 km) pesará um quarto do que pesa na Terra, ou seja 9,8/4=2,45 N. E a uma altitude de 3 raios terrestres (19 200 km) pesará 1/16 do que pesa à superfície da Terra, ou seja, 0,61 N (*). Ora, as órbitas dos satélites estão normalmente entre 180 km e 1000 km de altitude, "quase a roçar" a superfície terrestre. A nave, em órbita, não cai porque a força centrípeta necessária ao encurvamento da sua trajectória é desempenhada pela força gravítica que a Terra exerce na nave. Não é, de forma alguma, por estar fora do alcance da gravidade da Terra.

Pelas razões acima citadas,  a nave, saindo "fora da atmosfera" não está livre da força gravitacional exercida pela Terra.A resultante das forças que sobre ela actuam não é nula (e essa — resultante nula — seria a condição para o seu movimento ser uniforme e rectilíneo)

Em órbita, a nave e um astronauta lá dentro têm igual aceleração, em relação à Terra e, portanto, se o astronauta largar uma caneta, sem a empurrar, vai vê-la a flutuar à sua frente, mas a nave, o homem e caneta estão sujeitos à gravidade terrestre, só que todos com igual aceleração; por isso, o homem e a caneta estão em repouso relativamente à nave.

A relação entre força aplicada (F), massa onde se aplica a força (m) e a aceleração (a) conseguida durante a aplicação dessa força  continuam a estar de acordo com a 2.ª lei de Newton (F=ma).

Quanto à questão "que força se aplica para lhe dar movimento" , tem a ver com a velocidade desejada e com o tempo que se pretende para atingir essa velocidade. Mais tempo, menor força; menos tempo força de maior intensidade.

Faço notar que não é prático dar longas respostas no AQ&A. Creio já ter respondido à sua questão.

___________________

(*) Mesmo à muito maior distância a que a Lua está da Terra (384 400 km, em média) um corpo de 1 kg de massa está sujeito a uma força gravítica, exercida pela Terra, de intensidade

9,8/3600= 0,0027 N,

O valor "3600" deve-se a facto de a distância média da Terra à Lua ser aprox. 60 raios terrestres, aliada ao facto de a força gravitacional ser inversamente proporcional ao quadrado da distância. Ora, 60^2=3600.

GA

comentou 7 Nov, 2016 por newton's disciple (220 pontos)
Agradeço a sua compreensão e paciência. Quando encontrar uma resposta que eu compreenda postarei aqui para que outros leigos interessados também a entendam.

Muito obrigado
comentou 7 Nov, 2016 por Guilherme de Almeida Galáctico (25,370 pontos)
Bom, mas com 4 respostas, mais 3 links, mais 2 videos explicativos a questão ainda não ficou clara? Note que, em certos casos ,é preciso empregar a terminologia física, recorrendo ao vocabulário físico necessário.

GA

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