3ª Lei de Newton no espaço

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perguntou Out 31, 2016 em Astrofísica por newton's disciple (220 pontos)
reclassificado Nov 6, 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 Nov 8, 2016 por João Calhau Super-Nova (13,660 pontos)
selecionada Nov 8, 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 Nov 8, 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 Nov 5, 2016 por LUIS B. AstroNovato (600 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 Nov 5, 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 Nov 6, 2016 por Guilherme de Almeida Super-Nova (24,380 pontos)
editado Nov 6, 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 Nov 6, 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 Nov 6, 2016 por Guilherme de Almeida Super-Nova (24,380 pontos)
editado Nov 6, 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 Nov 6, 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 Nov 7, 2016 por Guilherme de Almeida Super-Nova (24,380 pontos)
editado Nov 7, 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 Nov 7, 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 Nov 7, 2016 por Guilherme de Almeida Super-Nova (24,380 pontos)
editado Nov 8, 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 Nov 7, 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 Nov 7, 2016 por Guilherme de Almeida Super-Nova (24,380 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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