Fundamentos de MECNICA ORBITAL II Esse guia apresenta informaes, conceitos, definies e atividades didticas sobre satlites artificiais: histria, aplicaes, rbitas

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    Conceitos&AtividadesparaaEducaoBsica

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  • Introduo

    Esse guia apresenta informaes, conceitos, definies e atividades didticas sobre satlites artificiais: histria, aplicaes, rbitas, lanamento e rastreio. Na sala de aula, o professor pode utilizar esse guia parcial ou integralmente, auxiliando os alunos a visualizarem na prtica da explorao espacial contedos como Leis de Kepler, elementos orbitais clssicos, Lei da Gravitao Universal e coordenadas geogrficas. O material se encontra dividido em dois blocos principais, a saber: (I) Informaes Tericas; e (II) Atividades Didticas. Esse guia pretende oferecer um conjunto de atividades didticas que possam ser selecionadas, combinadas, adaptadas, resumidas a fim de serem abordadas em uma ou mais aulas, de forma integrada a diferentes componentes curriculares conforme os conhecimentos prvios, necessidades e interesses dos alunos; recursos da escola; e planejamento do professor.

    Na primeira parte de nosso curso de Mecnica Orbital, viajamos para a poca dos cientistas Kepler, Brahe e Newton, para entender os princpios que regem o movimento dos planetas em torno do Sol, bem como a Lei da Gravitao Universal. Entendemos por que a Lua no cai sobre a nossa cabea e por que no camos em direo ao espao exterior. Agora, vamos nos aventurar um pouco mais nesse fantstico universo das viagens espaciais, para aprender sobre os satlites artificiais, suas aplicaes e benefcios, suas rbitas e seu rastreio, dentre outras informaes.

    Agora viajaremos ao mundo dos satlites artificiais e suas aplicaes. E por que satlite artificial? Porque o nico satlite natural que orbita nosso planeta a Lua. Alguns planetas do sistema solar tambm possuem satlites naturais que, eu seu bal espacial, fazem companhia aos planetas na vastido do oceano csmico. Esse o caso, por exemplo, de Marte, Jpiter e Saturno o ltimo, alm de satlites, possui magnficos anis compostos de gelo, poeira e fragmentos rochosos cujos tamanhos podem ser at o de uma montanha. Mas... quando nos referimos a artefatos construdos pelo ser humano, estamos falando de satlites artificiais. Na prtica, todos os veculos espaciais, tripulados ou no, podem ser denominados satlites artificiais. Exemplos de veculos tripulados so os nibus espaciais e as naves russas Soyuz, que levam astronautas Estao Espacial Internacional e para outras misses; as antigas naves Apollo, que levaram os primeiros seres humanos Lua e a Vostok, que levou os primeiros cosmonautas (russos) ao espao. J no que se refere a veculos no tripulados, temos satlites artificiais, que nos oferecem informaes sobre condies meteorolgicas; sensoriamento remoto; telecomunicaes, dentre outras. Nessa categoria, tambm se inserem as sondas que tm estudado planetas do sistema solar, exoplanetas, asteroides, planetas anes, estrelas, cometas e a Lua.

    Outro exemplo de satlite artificial so os telescpios espaciais tais como o pioneiro Hubble que ampliou os horizontes da Astronomia, no que se refere ao estudo de diversos corpos celestes, galxias, nebulosas, dentre outros. Confira aqui uma matria realizada por ocasio dos 20 anos do telescpio. H um nmero crescente de naes empenhadas em vasculhar o universo por meio de veculos espaciais construdos no mbito de suas agncias espaciais, em parceria com outros pases. Por meio do estudo do espao estamos avanando no conhecimento de caractersticas e recursos da superfcie de outros planetas e satlites no sistema solar, na identificao e estudo de planetas em outros sistemas planetrios, no estudo da composio e evoluo do universo, bem como buscando fontes mais baratas de propelentes para viabilizar futuras viagens espaciais interplanetrias e interestelares tripuladas ou no.

    Fig. 1 Concepo artstica do Satlite de Tecnologia de Comunicaes Avanadas. Em 1993, a NASA lanou esse satlite de comunicaes digital de alta velocidade. Fonte: NASA

    http://www.youtube.com/watch?v=6t-Eqe_649c

  • 1. Fundamentos

    Aqui apresentaremos conceitos que ajudaro a compreender elementos importantes de uma viagem espacial. Nosso foco so as misses no tripuladas ou robticas, embora diversos conceitos tambm se apliquem a misses que envolvem o envio de astronautas. Veremos a forma de inserir um satlite na rbita da Terra, os tipos mais comuns de rbitas de satlites, bem como noes de rastreio e controle. Notaremos, por exemplo, que o tipo de rbita se relaciona com a aplicao do satlite comunicao, sensoriamento remoto, navegao, dentre outros.

    1.1. Histria dos satlites artificiais

    Os satlites espaciais abriram caminho para todos os demais artefatos construdos pelo ser humano cruzarem as fronteiras da atmosfera terrestre. Eles foram os pioneiros da chamada Era Espacial, que teve incio em 4 de outubro de 1957, com o lanamento do primeiro satlite artificial rbita da Terra! Mas, voc sabia que desde h muito tempo a humanidade sonhava em chegar ao espao? E voc sabia que desde tempos antigos havia pessoas determinadas a inventar geringonas e aplicar ideias bizarras para chegar ao espao? Algumas lendas mitolgicas, como o clebre sonho de caro, encontram-se repletas de episdios relacionados conquista dos cus o que talvez se deva a esse fascnio da humanidade por explorar o desconhecido, a exemplo da poca das grandes navegaes (entre os sculos XV e XVII), que ampliou nosso mapa mndi. O mais antigo documento referente primitiva concepo de Astronutica datado de mais de 5 mil anos e descreve a faanha do Rei Etam, que teria supostamente ascendido aos cus. Existe outra histria que conta que um cidado na China Antiga teria supostamente tentado ascender ao espao amarrando diversos foguetes a uma cadeira. Depois, ele teria pedido a seus assistentes para acender os foguetes e... Buum! Depois disso, ningum mais teve notcias do bravo chins... H histrias curiosas ao longo dos sculos de pessoas que tentaram subir aos cus sem os recursos necessrios... A fico cientfica outra expresso do imaginrio popular, desde h muito tempo repleto de histrias relacionadas explorao espacial por meio de geringonas tripuladas. Assim, vrios cientistas e escritores, ao longo da histria, trataram de uma hipottica viagem Lua. Dentre estes, o poeta italiano Ludovico Ariosto (1474-1533), em Orlando Furioso; Kepler, em Sonho Astronmico; o bispo ingls Francis Godwin (1562-1633), em O Homem na Lua; o clrigo ingls John Wilkins (1614-1672), em O Mundo da Lua; o escritor britnico H.G. Wells (1866-1946), em Os Primeiros Homens na Lua e o clebre escritor francs Jlio Verne (1828-1905), em Da Terra Lua e A Roda da Lua. Algumas dessas obras inspiraram aqueles que viriam a ser os pioneiros da propulso moderna, graas aos quais aprendemos a colocar artefatos no espao.

    Embora somente na segunda metade do sculo XX alcanamos o desenvolvimento tecnolgico suficiente para colocar um objeto construdo pelo ser humano na rbita

    da Terra, o conhecimento terico para realizar tal intento j se encontrava disponvel desde o sculo XVII. Sim, combinando as leis de Kepler com a fsica newtoniana, o conceito de um satlite artificial surgiu j em 1687. Isaac Newton afirmava que um objeto acelerado a certa velocidade poderia se mover livremente ao redor da Terra ao longo de um crculo fechado, ou rbita. Ao aumentar a velocidade (de um projtil)... ele pode nunca cair na Terra, mas seguir em frente nos espaos celestes em seu movimento infinitamente, previu o cientista.

    A soluo para esse problema de como colocar um artefato na rbita terrestre viria a ser os foguetes. Eles permitiriam que o sonho da explorao espacial se materializasse. As razes da foguetaria remontam poca da inveno da plvora na China, por volta do sculo X

    Fig. 2 A obra de Jlio Verne previa a aventura de seres humanos que construram um aparato para chegar Lua. Fonte: Linux Planet Blogs, http://www.linuxplanet.org/blogs/

    http://www.linuxplanet.org/blogs/

  • depois de Cristo. Entretanto, foi somente no sculo XX, que a humanidade enviou seus primeiros satlites ao espao graas ao desenvolvimento de foguetes potentes, capazes de atravessar a rbita terrestre e colocar cargas em rbita da Terra. Mas esse avano tecnolgico no ocorreu por acaso. Ele foi em grande extenso um subproduto das tecnologias desenvolvidas durante a Segunda Guerra Mundial. Durante esse perodo, por exemplo, foi desenvolvido o mssil balstico V2, pelo cientista alemo Wernher Von Braun (1912-1977). Com o final da guerra, o mundo ficou polarizado entre a ex-Unio Sovitica e os Estados Unidos. As outras naes se dividiam e os dois pases lutavam por maior influncia no cenrio mundial. Foi nesse contexto que emergiu a chamada guerra fria entre Estados Unidos e ex-Unio Sovitica. Uma das principais marcas desse perodo foi a denominada corrida espacial entre esses dois pases. Vejamos alguns elementos que possibilitaram essa jornada.

    Nada teria sido possvel sem o desenvolvimento de foguetes capazes de carregar artefatos para alm da atmosfera terrestre. No foram grandes cientistas em laboratrios sofisticados que desenvolveram os primeiros foguetes que levariam a esse progresso. Foram estudiosos trabalhando de forma independente em diferentes pases, no incio do sculo XX, que chegaram a concluses bem semelhantes quanto aos primeiros trabalhos de foguetaria ou propulso. A combinao dos resultados tericos e prticos do trabalho desses pioneiros lanou as bases para o incio da Era Espacial, possibilitando o envio de veculos espaciais tripulados e no-tripulados ao espao.

    Trs nomes merecem especial destaque. Todos eles foram influenciados pela fico cientfica. Na ex-URSS, surgiu um professor chamado Konstantin E. Tsiolkivsky (1857-1935), que delineou os princpios da propulso utilizados em voos espaciais. Ele considerado o pai da Astronutica. Para ele, a jornada ao cosmos no era uma questo de desbravamento apenas, mas d