Como Satélites Ficam em órbita – Fisica Curiosa 2024

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Você sabe como os satélites ficam em órbita?

Neste artigo, abordaremos o fascinante tema de como os satélites ficam em órbita no espaço, explorando os princípios fundamentais que regem o equilíbrio entre a força gravitacional e a velocidade orbital necessária para manter esses dispositivos em sua trajetória ao redor da Terra.

Por – Redação do Física Curiosa

Já parou para pensar que há mais de mil satélites artificiais circulando ao redor do nosso planeta neste exato momento? Além disso, existe uma gigantesca Estação Espacial em pleno funcionamento.

Se você não está muito familiarizado com esse assunto e gostaria de saber mais, este artigo é perfeito para você.

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Órbitas Celestes

No grande palco do espaço, os satélites artificiais executam uma dança delicada, guiados por princípios simples que ditam as regras dessa coreografia celestial. Entender como esses engenhos tecnológicos permanecem nas suas órbitas ao redor da Terra começa com uma exploração descomplicada dos conceitos básicos que governam essa dança cósmica.

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Órbitas Circulares

Em uma órbita circular, a trajetória do satélite é como um círculo perfeito ao redor da Terra. A velocidade do satélite tangencialmente equilibra a atração gravitacional da Terra, resultando em uma trajetória constante e estável. Essa configuração é frequentemente usada em missões de observação de longo prazo, proporcionando estabilidade para a coleta de dados.

Órbitas Elípticas

Em órbitas elípticas, a distância entre o satélite e a Terra varia ao longo da trajetória. Essa variação é como uma dança dinâmica, permitindo uma cobertura mais ampla da superfície terrestre. Satélites em órbitas elípticas são comuns em comunicação e meteorologia, adaptando-se a diferentes necessidades de cobertura.

Órbitas Geoestacionárias

Órbitas geoestacionárias são especiais, mantendo os satélites sobre um ponto fixo da Terra. Posicionadas no equador, essas órbitas sincronizam a rotação do satélite com a rotação da Terra. Essa sincronia oferece uma cobertura constante de uma determinada área, sendo crucial para satélites de comunicação e meteorologia.

Ao entender a simplicidade por trás dessas órbitas e como cada uma atende a diferentes propósitos, começamos a desvendar o mistério por trás da permanência dos satélites no espaço.

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O que são satélites artificiais?

Um satélite representa um corpo celeste que realiza uma trajetória ao redor ou em torno de um objeto celestial maior. Esses satélites podem ser classificados em duas categorias distintas: naturais, originados naturalmente (exemplos incluem a Terra orbitando o sol ou a lua em torno da Terra); e artificiais, produzidos pela intervenção humana (um exemplo notável é a Estação Espacial Internacional em órbita ao redor da Terra). Este contexto se concentrará nos satélites artificiais.

A concepção de satélites artificiais em órbita foi inicialmente proposta por Isaac Newton em seu trabalho “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” de 1687.

Newton teorizou que um projétil disparado do cume de uma montanha, com velocidade suficiente e em direção paralela ao horizonte, poderia circundar a Terra antes de eventualmente cair.

Apesar de a atração gravitacional tender a direcionar o objeto em direção à superfície terrestre, a combinação desse impulso com a velocidade resultaria em um percurso curvilíneo.

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Uma velocidade mais elevada possibilitaria a inserção em uma órbita estável, semelhante à órbita lunar, ou até mesmo a afastaria completamente da esfera terrestre.

Como os satélites ficam em órbita?

A operação para posicionar um satélite em órbita inicia-se com o seu lançamento mediante o uso de um foguete. A permanência do satélite no espaço pode ser temporária ou definitiva.

Um aspecto crucial a considerar é o local do lançamento: lançar o satélite próximo à linha do Equador é mais eficiente e econômico, pois a velocidade de rotação da Terra é mais elevada nesse ponto, exigindo menos combustível para atingir a velocidade necessária. Após alcançar a altitude desejada, o satélite é liberado.

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As características de um satélite, como tamanho e design, dependem de sua finalidade, mas a maioria compartilha duas componentes fundamentais: uma antena para transmissão e recepção de informações, e uma fonte de energia, que pode ser uma bateria ou um painel solar convertendo luz solar em eletricidade.

A órbita de um satélite ocorre quando a sua velocidade equilibra-se com a força gravitacional da Terra. Sem esse equilíbrio, o satélite seguiria em linha reta para o espaço ou cairia de volta à Terra. Satélites orbitam a Terra em alturas, velocidades e trajetórias diversas.

Os tipos mais comuns de órbita são geoestacionárias e polares. Um satélite geoestacionário move-se sincronizado com a rotação da Terra, aparentando estar estacionário quando observado da Terra. Satélites de órbita polar viajam de pólo a pólo.

Ao completar sua missão, satélites aposentados podem ser programados para reentrar na atmosfera terrestre, onde são destruídos, ou podem ser deixados na órbita cemitério, destinada a resíduos espaciais, minimizando riscos de colisões com outros satélites, aeronaves ou estações espaciais.

Atualmente, aproximadamente meio milhão de objetos artificiais orbitam a Terra, variando em tamanho desde partículas de tinta até satélites completos. Destes, apenas uma fração é funcional, resultando em uma quantidade significativa de detritos espaciais flutuando no cosmos.

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Fatos curiosos

Um satélite artificial encontra-se em equilíbrio em uma órbita circular em torno da Terra. Dobrando-se a massa desse satélite, é esperado que o raio $r$ de sua órbita permaneça inalterada, saiba o porquê:

A expressão para a velocidade orbital ( $\vec v$ ) de um satélite em órbita circular ao redor de um corpo massivo (como a Terra) é dada por:

(1) $\begin{equation*}\vec{F} = m \cdot \vec{a}\end{equation*}$

onde:

(v) é a velocidade orbital,
(G) é a constante gravitacional,
(M) é a massa do corpo massivo (a Terra, neste caso),
(r) é o raio da órbita.

Para manter o satélite em órbita, a força centrípeta (a força gravitacional neste caso) deve ser igual à força centrífuga necessária para manter a órbita circular. A força gravitacional é dada por:

$\begin{equation*} F_{\text{grav}} = \frac{G M m}{r^2} \end{equation}$

onde:

(m) é a massa do satélite.

A força centrípeta necessária para manter a órbita circular é dada por:

$\begin{equation*} F_{\text{centrípeta}} = \frac{m v^2}{r} \end{equation}$

Igualando essas duas expressões, obtemos:

$\begin{equation*} \frac{G M m}{r^2} = \frac{m \left(\sqrt{\frac{G M}{r}}\right)^2}{r} \end{equation}$

Simplificando, temos:

$\begin{equation*} \frac{G M}{r} = \frac{G M}{r} \end{equation}$

Isso significa que a massa do satélite não entra na equação para o raio da órbita. Portanto, dobrar a massa do satélite não afeta o raio da órbita. O raio da órbita permanecerá o mesmo desde que outras condições (como a massa da Terra) permaneçam constantes.

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Um satélite em uma órbita de raio R completa uma volta em torno da Terra a cada seis horas. Se o mesmo satélite fosse colocado a uma distância 2R da Terra, seu período orbital seria igual a $12 \sqrt{2} h$

A Terceira Lei de Kepler afirma que o quadrado do período orbital de um objeto em órbita ao redor de uma estrela é proporcional ao cubo do raio médio da sua órbita.

Em termos simples, o tempo que um objeto leva para orbitar uma estrela ao quadrado é proporcional à distância média do objeto à estrela ao cubo. Essa relação é válida para todos os objetos que orbitam a mesma estrela.

$\begin{equation*} \frac {T^2}{R^3} = k \end{equation}$

Dessa forma, podemos ajustar as constantes para dois satélites que orbitam o mesmo corpo celeste.

$\begin{equation*} \frac {6^2}{R^3} = \frac{T^2}{(2R)^3} \end{equation}$

$\begin{equation*} \frac {36}{R^3} = \frac{T^2}{(8R^3)} \end{equation}$

$\begin{equation*} T^2 = 8,36 \end{equation}$

$\begin{equation*} T = 12\sqrt{2} h \end{equation}$

Veja como os satélites ficam em órbita no espaço

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