Gravitação universal

Guia de estudo · Revisado em 16/09/2026

BNCC · EM13CNT204BNCC · EM13CNT301

A maçã cai e a Lua não; um astronauta flutua a 400 km de altura onde a gravidade ainda vale 89% da do chão; a antena parabólica do telhado mira um satélite que dá uma volta na Terra por dia e parece parado. Que força é essa que enfraquece com o quadrado da distância, puxa tudo com a mesma aceleração e mesmo assim segura a Lua, a Estação Espacial e o satélite de TV cada um na sua altura?

O que você vai aprender

  • Enunciar a lei da gravitação universal, F = GMm/r², identificar r como a distância entre os centros, reconhecer o caráter universal e atrativo da força e o par de ação e reação entre corpos de massas diferentes, e estimar ordens de grandeza com G = 6,67 × 10⁻¹¹ N·m²/kg².
  • Deduzir a = GM/r² a partir da segunda lei, explicar por que a massa do corpo cancela e todos os corpos caem com a mesma aceleração, e distinguir massa (kg, invariante) de peso (N, P = mg, depende do astro e da altitude).
  • Calcular g na superfície de outros astros e em altitude por razões, g₁/g₂ = (M₁/M₂)(R₂/R₁)², inclusive a partir da densidade média, e ler tabelas de massa e raio para comparar gravidades.
  • Explicar a órbita circular como queda contínua (canhão de Newton), igualar a gravitação à força centrípeta para obter v = √(GM/r) e T = 2π√(r³/GM), e reconhecer que velocidade e período não dependem da massa do satélite.
  • Resolver razões entre dois satélites, v₁/v₂ = √(r₂/r₁) e T₂/T₁ = (r₂/r₁)^{3/2}, usando raios medidos do centro (r = R + h), e julgar itens sobre satélite mais alto ser mais lento.
  • Explicar a imponderabilidade em órbita como queda livre conjunta, distinguindo peso real de peso aparente, e refutar a ideia de que não há gravidade no espaço.
  • Descrever as três condições do satélite geoestacionário (24 h, plano equatorial, sentido da rotação), estimar r ≈ 42 000 km e h ≈ 36 000 km, e contrastar com GPS (20 200 km, 12 h, quatro satélites) e satélites de imageamento em órbita baixa.
  • Reconhecer os limites de mgh, usar E_p = −GMm/r como ponte para a velocidade de escape v_e = √(2GM/R), afirmar que o campo gravitacional é conservativo e descrever qualitativamente os pontos de Lagrange e a posição do James Webb em L2.

Uma maçã se solta do galho e vai ao chão. A Lua, lá em cima, está fazendo a mesma coisa: a Terra a puxa sem parar, e ela despenca sem parar. O que a salva é a velocidade lateral de cerca de 1 km/s: em cada segundo de viagem ela se afasta da reta tangente na mesma medida em que a superfície da Terra se encurva lá embaixo, e por isso o chão nunca chega. Newton transformou essa imagem em número em 1687. Entre o centro da Terra e a Lua cabem 60 raios terrestres; se a atração diminui com o quadrado da distância, a aceleração lunar deve ser 9,8/602≈0,00279{,}8/60^2 \approx 0{,}0027 m/s². Por outro caminho, só com o tamanho da órbita e os 27,3 dias de uma volta, a aceleração centrípeta exigida sai também 0,0027 m/s². Dois cálculos independentes, um só resultado: maçã e Lua obedecem à mesma lei.

Essa é a página da lei que segura tudo: a força entre duas massas quaisquer, o gg que muda de astro para astro e de altitude para altitude, a órbita como queda que não termina, o satélite de TV que parece parado no céu e o astronauta que flutua com 90% da gravidade da superfície agindo sobre ele. O PAS/UnB voltou ao assunto com força: cinco itens em 2025 (bloco da corrida espacial), quatro em 2024 (bloco do telescópio James Webb), e a 3.ª etapa cobra desde a aceleração a 100 km de altitude até a razão entre a gravidade na superfície e na órbita geoestacionária. A página pressupõe as leis de Newton (segunda lei, par ação e reação) e a força centrípeta do movimento circular uniforme. As três leis de Kepler têm página própria, leis de Kepler e órbitas, e as marés também, marés; aqui elas aparecem só como remissão.

Toda massa atrai toda massa: a lei de Newton

Antes de Newton, a queda dos corpos e o movimento dos planetas eram dois assuntos. Depois do Principia, um só. O passo decisivo foi uma pergunta sobre alcance: se a Terra puxa a maçã, até que distância esse puxão continua agindo? A resposta de Newton foi a mais ousada possível: sem limite. O mesmo puxão alcança a Lua, o Sol alcança os planetas, e dois corpos quaisquer, por terem massa, se atraem.

Lei da gravitação universal

Entre dois corpos de massas MM e mm cujos centros estão à distância rr atua uma força de atração mútua de intensidade

F=G M mr2.F = \frac{G\,M\,m}{r^{2}}.

GG é a constante da gravitação, a mesma em todo o universo: G=6,67×10−11 N⋅m2/kg2G = 6{,}67 \times 10^{-11}\ \text{N·m}^2/\text{kg}^2. Multiplicar uma das massas multiplica a força na mesma proporção; afastar os centros enfraquece a força com o quadrado da separação. A força é sempre atrativa, atua ao longo da reta que une os centros e obedece à terceira lei: o puxão que a Terra dá na Lua e o puxão que a Lua dá na Terra têm exatamente o mesmo módulo.

grandeza papel na fórmula valor no sistema Terra–Lua
FF módulo da atração mútua, em newtons 2×10202 \times 10^{20} N, agindo igualmente sobre os dois astros
GG constante da gravitação 6,67×10−116{,}67 \times 10^{-11} N·m²/kg²
MM, mm massas dos dois corpos, em quilogramas 6,0×10246{,}0 \times 10^{24} kg (Terra) e 7,4×10227{,}4 \times 10^{22} kg (Lua, 81 vezes menor)
rr separação entre os centros, em metros 3,84×1083{,}84 \times 10^{8} m, o equivalente a 60 raios da Terra

Três leituras da fórmula valem mais do que decorá-la.

Inverso do quadrado. Afaste os corpos ao dobro da distância e a força cai para um quarto; ao triplo, para um nono; a dez vezes a distância, resta um centésimo. Nenhuma distância, porém, zera a força: ela só vai minguando. Um corpo a 400 km de altitude ainda sente 89% da atração que sentiria no solo, e a 384 000 km a Terra ainda tem força suficiente para manter a Lua presa a si. É a mesma geometria da luz de uma lanterna, que ilumina com um quarto da intensidade uma parede duas vezes mais distante, porque a mesma quantidade se espalha por uma área quatro vezes maior.

Uma massa M à esquerda e três massas de prova iguais a distâncias r, 2r e 3r. As setas de força apontam para M e encolhem: F, F/4 e F/9. Abaixo, o gráfico da força em função da distância, curva que despenca perto da origem e se achata sem tocar o zero, com os três pontos marcados.
A lei do inverso do quadrado. A mesma massa de prova, três distâncias: dobrar rr divide a força por 4, triplicar divide por 9. A curva F×rF \times r nunca toca o zero; a gravidade da Terra alcança a Lua e o Sol. Diagrama autoral.

Par de ação e reação. A fórmula é simétrica em MM e mm: trocar as duas massas de lugar não muda nada, e por isso a força sobre o corpo leve é igual à força sobre o corpo pesado. O que não é igual é o efeito, a=F/ma = F/m. Terra e Lua trocam 2×10202 \times 10^{20} N; dividido por uma massa 81 vezes menor, esse valor produz na Lua uma aceleração 81 vezes maior, e é ela quem circula em torno da outra. A Terra não fica imóvel: descreve uma pequena órbita ao redor do baricentro do sistema, situado a 4 700 km do centro terrestre, ainda no interior do planeta. Em 2016 a 3.ª etapa gabaritou certo que “cada um dos planetas do sistema solar exerce sobre o Sol uma força, em módulo, igual à força que o Sol exerce sobre cada um deles”; em 2024, que “a força resultante que o telescópio exerce sobre o sistema Sol–Terra é igual a −F-F”, sendo FF a resultante que Sol e Terra exercem sobre o telescópio.

Caráter universal. A mesma lei vale para a maçã, para a Lua, para o Sol e para dois livros sobre a mesa. Entre dois livros de 1 kg a 10 cm de distância, F=6,67×10−11×1×1/0,12≈7×10−9F = 6{,}67 \times 10^{-11} \times 1 \times 1 / 0{,}1^2 \approx 7 \times 10^{-9} N, o peso de um grão de poeira; a gravidade só se faz notar quando uma das massas é um planeta. É isso que a ordem de grandeza de GG diz: dez elevado a menos onze. Em 2024 a 2.ª etapa cobrou a história em uma frase certa: Newton, dando sequência a Galileu e Kepler, formulou a lei “segundo a qual todos os corpos que possuem massa exercem atração entre si”.

Exemplo resolvido (a conta de Newton). Tome a distância Terra–Lua como r=60Rr = 60R. Pelo inverso do quadrado, a aceleração gravitacional na posição da Lua vale g/602=9,8/3 600=2,7×10−3g/60^2 = 9{,}8/3\,600 = 2{,}7 \times 10^{-3} m/s². Agora esqueça a gravidade e olhe só a cinemática: um corpo que percorre uma circunferência de raio r=3,84×108r = 3{,}84 \times 10^{8} m em T=27,3T = 27{,}3 dias =2,36×106= 2{,}36 \times 10^{6} s precisa da aceleração centrípeta a=4π2r/T2=39,5×3,84×108/(5,57×1012)=2,7×10−3a = 4\pi^2 r/T^2 = 39{,}5 \times 3{,}84 \times 10^{8}/(5{,}57 \times 10^{12}) = 2{,}7 \times 10^{-3} m/s². Dados de origens distintas (o gg medido no chão e o calendário das fases da Lua) levaram ao mesmo valor, e foi essa concordância que convenceu Newton de que a lei da queda e a lei das órbitas eram uma só.

Distância entre centros, não altura

Nas fórmulas da gravitação, rr é sempre a distância ao centro do astro: r=R+hr = R + h, raio do planeta mais altitude. Um satélite a 800 km de altura tem r=6 400+800=7 200r = 6\,400 + 800 = 7\,200 km, não 800 km. Em 2025 (item 42) a banca escreveu que a volta de um satélite a 800 km de altura mede 1 600π1\,600\pi km, como se a Terra não existisse: errado, a volta mede 2π×7 200=14 400π2\pi \times 7\,200 = 14\,400\pi km. O mesmo bloco plantou o distrator no item 51: quem dividiu alturas em vez de raios achou 3\sqrt{3} em vez de 2\sqrt{2}.

A massa que cancela: g não depende de quem cai

Um adulto de 90 kg pesa 900 N na Terra. Uma criança de 30 kg pesa 300 N. A Terra puxa o adulto três vezes mais forte, e mesmo assim, soltos juntos de uma janela, os dois chegam juntos ao chão. A força três vezes maior age sobre uma massa três vezes mais difícil de acelerar, e o saldo, força dividida pela massa, é o mesmo para os dois.

Campo gravitacional e g local

Um corpo de massa mm a uma distância rr do centro de um astro de massa MM recebe a força F=GMm/r2F = GMm/r^2. Sua aceleração é força dividida pela massa:

a=Fm=GMmr2 m=GMr2.a = \frac{F}{m} = \frac{G M m}{r^{2}\,m} = \frac{G M}{r^{2}}.

A massa mm cancela. Essa aceleração, que depende só do astro (MM) e da posição (rr), é o campo gravitacional no ponto, e na superfície (r=Rr = R) é o gg do lugar:

g=GMR2.g = \frac{G M}{R^{2}}.

O peso de um corpo é a força gravitacional sobre ele, P=mgP = mg: depende do corpo (pela massa) e do lugar (pelo gg). A massa mede a quantidade de matéria, vem em quilogramas e é a mesma em qualquer canto do universo.

A conferência numérica: g=GM/R2=6,67×10−11×6,0×1024/(6,4×106)2=4,0×1014/4,1×1013≈9,8g = GM/R^2 = 6{,}67 \times 10^{-11} \times 6{,}0 \times 10^{24}/(6{,}4 \times 10^{6})^2 = 4{,}0 \times 10^{14}/4{,}1 \times 10^{13} \approx 9{,}8 m/s². O produto GMGM da Terra, 4,0×10144{,}0 \times 10^{14} m³/s², aparece tantas vezes que vale guardar de outra forma: GM=gR2GM = gR^2. Quando a prova dá gg e RR, você tem GMGM sem precisar de GG.

O cancelamento da massa é o que Galileu havia mostrado quase um século antes, largando bolas de massas diferentes: a bola pesada recebe um puxão maior, mas também resiste mais a ser acelerada, e os dois efeitos se compensam na mesma razão. Newton explicou o porquê. E a banca vive disso: em 2024, “a aceleração do telescópio, quando em movimento, não depende da sua massa” (certo); em 2025, “a altura hh atingida pelo foguete não depende da massa do foguete nem da do satélite” (certo), porque a gravidade desacelera todo mundo igual.

Peso e massa em itens de julgamento

Na Lua, um corpo tem a mesma massa e um sexto do peso. Em 2018 a 3.ª etapa pendurou três itens nisso, sobre a bandeirola da Apollo 11: “tinha, lá, mais massa do que quando estava na Terra” (errado, massa não muda); “o peso de um homem é menor na Lua” (certo); “o trabalho para elevar um corpo a determinada altura é maior na Lua” (errado, mghmgh com gg seis vezes menor). O peso vem em newtons e muda conforme o astro ou a altitude; a massa vem em quilogramas e viaja intacta com o corpo.

g é a ficha técnica do astro: Lua, Marte, altitude

g=GM/R2g = GM/R^2 é uma receita de duas linhas: mais massa, mais gravidade; mais raio, menos gravidade, e o raio pesa ao quadrado. A tabela reúne os casos que a prova usa.

astro massa (Terra = 1) raio (Terra = 1) gg na superfície peso de 60 kg
Terra 1 1 9,8 m/s² 588 N
Lua 1/81 0,27 1,6 m/s² 96 N
Marte 0,11 0,53 3,7 m/s² 222 N
Júpiter 318 11,2 25 m/s² 1 500 N
Sol 333 000 109 274 m/s² 16 400 N
Cinco balanças de mola lado a lado, cada uma com o mesmo bloco de 60 kg pendurado: na Terra marca 588 N, na Lua 96 N, em Marte 222 N, em Júpiter 1 500 N e, na Estação Espacial em órbita, marca zero com o bloco flutuando ao lado do gancho. Sob cada balança, a massa e o raio do astro em relação à Terra e o valor de g.
O mesmo bloco de 60 kg em cinco lugares: a massa não muda, o peso P=mgP = mg muda com o gg do astro. Na Estação Espacial a balança marca zero, e não por falta de gravidade (g=8,7g = 8{,}7 m/s²): bloco e balança caem juntos. Diagrama autoral.

Exemplo resolvido (a Lua, por razões). A Lua tem 1/81 da massa da Terra e um raio 3,7 vezes menor. Menos massa derruba gg pelo fator 81; raio menor o levanta pelo fator 3,72=13,73{,}7^2 = 13{,}7. Saldo: gLua=g×13,7/81=0,17 g≈1,6g_{\text{Lua}} = g \times 13{,}7/81 = 0{,}17\,g \approx 1{,}6 m/s². Um astronauta de 70 kg, que na Terra pesa 70×9,8=68670 \times 9{,}8 = 686 N, pesa lá 70×1,6=11270 \times 1{,}6 = 112 N. Foi assim que a 3.ª etapa de 2018 forneceu os dados: MT/ML=81,30M_T/M_L = 81{,}30 e (RT/RL)2=13,45(R_T/R_L)^2 = 13{,}45, logo gT/gL=81,30/13,45=6,0g_T/g_L = 81{,}30/13{,}45 = 6{,}0. Razões, sem GG.

Exemplo resolvido (planeta hipotético). Dobro da massa e dobro do raio da Terra: g′=G(2M)/(2R)2=2GM/4R2=g/2g' = G(2M)/(2R)^2 = 2GM/4R^2 = g/2, cerca de 4,9 m/s². Metade da massa e metade do raio: g′=G(M/2)/(R/2)2=2gg' = G(M/2)/(R/2)^2 = 2g, quase 20 m/s². A regra: a massa entra linear, o raio entra ao quadrado, e quem dobra os dois perde.

Exemplo resolvido (g a partir da densidade, PAS 3 2017). A banca pediu gg na superfície de um planeta esférico de raio R=3×107/πR = 3 \times 10^7/\pi m e densidade média ρ=7×103\rho = 7 \times 10^3 kg/m³, com G=6,7×10−11G = 6{,}7 \times 10^{-11}. A massa é densidade vezes volume, M=ρ⋅43πR3M = \rho \cdot \tfrac{4}{3}\pi R^3, e então

g=GMR2=43πGρR=43π×6,7×10−11×7×103×3×107π=4×6,7×7×10−1=18,8 m/s2.g = \frac{GM}{R^2} = \frac{4}{3}\pi G \rho R = \frac{4}{3}\pi \times 6{,}7 \times 10^{-11} \times 7 \times 10^{3} \times \frac{3 \times 10^{7}}{\pi} = 4 \times 6{,}7 \times 7 \times 10^{-1} = 18{,}8\ \text{m/s}^2.

Marcação: 18. O π\pi do raio foi escolhido para cancelar o π\pi do volume; a banca desenha o dado para a conta fechar.

Agora a altitude. Acima da superfície, r=R+hr = R + h e

g(h)=GM(R+h)2=g0(RR+h)2.g(h) = \frac{GM}{(R+h)^2} = g_0 \left(\frac{R}{R+h}\right)^2.

Gráfico da aceleração da gravidade em função da distância ao centro da Terra, de 1 a 7 raios terrestres. A curva parte de 9,8 na superfície e cai com o inverso do quadrado. Pontos marcados: Estação Espacial a 400 km com 8,7; satélites do GPS a 26 600 km do centro com 0,56; órbita geoestacionária a 42 000 km com 0,22. Um traço à esquerda mostra a região interna, onde g cresce do zero no centro até o valor da superfície.
gg cai com o inverso do quadrado da distância ao **centro**. Na Estação Espacial ainda há 89% da gravidade da superfície; no GPS, 6%; no geoestacionário, 2%. Ainda assim é essa gravidade que segura cada um deles em órbita. Diagrama autoral.

Exemplo resolvido (a Estação Espacial). Altitude 400 km, r=6 800r = 6\,800 km: g=9,8×(6 400/6 800)2=9,8×0,886=8,7g = 9{,}8 \times (6\,400/6\,800)^2 = 9{,}8 \times 0{,}886 = 8{,}7 m/s². Quase 90% do valor do chão. Fixe esse número: ele derruba sozinho o mito de que “no espaço não há gravidade”. A 3.ª etapa de 2013 fez a mesma conta a 100 km de altura com GG, MM e RR fornecidos: g=6,67×10−11×5,98×1024/(6,47×106)2=9,5g = 6{,}67 \times 10^{-11} \times 5{,}98 \times 10^{24}/(6{,}47 \times 10^{6})^2 = 9{,}5 m/s², superior a 9,2 (item certo).

Exemplo resolvido (razão superfície/geoestacionário, PAS 3 2019). Raio da Terra 6×1066 \times 10^6 m, altitude do geoestacionário 36×10636 \times 10^6 m, logo r=42×106r = 42 \times 10^6 m. gsup/ggeo=(r/R)2=(42/6)2=72=49g_{\text{sup}}/g_{\text{geo}} = (r/R)^2 = (42/6)^2 = 7^2 = 49. Marcação: 049. Não precisou de GG nem de MM.

Copacabana, os Alpes e a balança

Um quilograma de ouro pesa menos nos Alpes do que na praia de Copacabana: a altitude é maior, rr é maior, gg é menor. A 3.ª etapa de 2021 afirmou o contrário e gabaritou errado. O efeito é pequeno, 0,03% a 1 000 m, e a balança de padaria, que compara massas com um contrapeso, nem percebe; um dinamômetro de precisão percebe. Em Brasília, a 1 100 m, gg vale 9,78 m/s²; no nível do mar no Rio, 9,79.

Por que um satélite não cai: a órbita como queda

Imagine um arremessador no topo de uma torre altíssima, acima da atmosfera, jogando pedras na horizontal. A primeira pedra, lenta, descreve um arco curto e bate no chão perto da base. A segunda, mais veloz, vai mais longe antes de cair. Cada aumento de velocidade empurra o ponto de impacto para a frente, até que, numa certa velocidade, a curva da queda e a curva da Terra passam a ter o mesmo formato: a pedra despenca o tempo inteiro e, mesmo assim, o chão foge dela na mesma proporção. Ela contornou o planeta e voltou ao ponto de partida. Foi com esse experimento mental, publicado com desenho pelo próprio Newton, que a noção de órbita ficou clara: nada mais que uma queda que nunca termina, porque o corpo anda de lado depressa o bastante. A gravidade não foi vencida nem desligada; é ela que mantém a pedra em volta da Terra.

A Terra como um círculo, com um canhão no topo de uma montanha. Quatro trajetórias saem na horizontal: uma lenta cai perto, uma mais rápida cai mais longe, uma a 7,9 km/s fecha um círculo rasante em torno da Terra, e uma a 11,2 km/s abre e escapa. Em um ponto da órbita circular, dois vetores: a velocidade tangente e a força gravitacional para o centro, com a legenda gravitação igual a força centrípeta.
O canhão de Newton. Quanto maior a velocidade horizontal inicial, mais adiante a bala toca o solo; a 7,9 km/s a curva da queda acompanha a curva do planeta e a órbita rasante se fecha; a 11,2 km/s a bala escapa. Em órbita, a gravitação é a força centrípeta. Diagrama autoral.
Velocidade e período de uma órbita circular

Para um satélite de massa mm que percorre uma circunferência de raio rr ao redor de um astro cuja massa é MM, a única força em jogo é a gravitacional, e portanto é ela que fornece a aceleração centrípeta v2/rv^2/r. Igualando a força centrípeta necessária à força gravitacional disponível,

m v2r=G M mr2,\frac{m\,v^{2}}{r} = \frac{G\,M\,m}{r^{2}},

e isolando a velocidade,

v=G Mr.v = \sqrt{\frac{G\,M}{r}}.

Uma volta completa é o perímetro 2πr2\pi r dividido por essa velocidade, T=2πr/vT = 2\pi r/v; elevando ao quadrado e substituindo vv,

T2=4π2 r3G M.T^{2} = \frac{4\pi^{2}\,r^{3}}{G\,M}.

Procure mm nas duas fórmulas: sumiu. Dado o raio, velocidade e período ficam determinados, seja o satélite uma caixa de sapatos ou uma estação de 400 toneladas. Órbita mais larga significa satélite mais lento e volta mais demorada. A proporcionalidade T2∝r3T^2 \propto r^3 é a terceira lei de Kepler, que aqui sai como consequência da gravitação; a página leis de Kepler e órbitas trata dela e das órbitas elípticas.

Exemplo resolvido (a órbita rasante). Com r=Rr = R e GM=gR2GM = gR^2: v=gR=9,8×6,4×106=6,3×107=7 900v = \sqrt{gR} = \sqrt{9{,}8 \times 6{,}4 \times 10^{6}} = \sqrt{6{,}3 \times 10^{7}} = 7\,900 m/s, cerca de 7,9 km/s, 28 000 km/h. Período: T=2πR/v=2×3,14×6,4×106/7 900=5 100T = 2\pi R/v = 2 \times 3{,}14 \times 6{,}4 \times 10^{6}/7\,900 = 5\,100 s, 85 minutos. Com g=10g = 10, a conta redonda dá 8 km/s e 84 min. Repare na escala: 7,9 km/s é vinte e tantas vezes a velocidade do som, inalcançável para qualquer arma; só um foguete, acelerando por minutos a fio, leva uma carga a essa velocidade lateral. E repare no período: quem orbita rente à Terra completa a volta em menos de hora e meia.

Exemplo resolvido (a Estação Espacial). r=6,8×106r = 6{,}8 \times 10^{6} m: v=4,0×1014/6,8×106=5,9×107=7 700v = \sqrt{4{,}0 \times 10^{14}/6{,}8 \times 10^{6}} = \sqrt{5{,}9 \times 10^{7}} = 7\,700 m/s. T=2π×6,8×106/7 700=5 500T = 2\pi \times 6{,}8 \times 10^{6}/7\,700 = 5\,500 s, 92 minutos: dezesseis voltas por dia, dezesseis nasceres do Sol para a tripulação. Conferência pela aceleração: v2/r=5,9×107/6,8×106=8,7v^2/r = 5{,}9 \times 10^{7}/6{,}8 \times 10^{6} = 8{,}7 m/s², o mesmo gg da seção anterior. A gravidade local é exatamente a aceleração centrípeta da órbita.

O raio fixa tudo: razões entre satélites

A banca nunca pediu um valor absoluto de vv ou TT com GG e MM: ela pede a razão entre dois satélites, em que as constantes somem na divisão. Como v∝1/rv \propto 1/\sqrt{r} e T∝r3/2T \propto r^{3/2}, basta conhecer a razão entre os raios:

razão entre os raios r2/r1r_2/r_1 razão entre as velocidades v2/v1v_2/v_1 razão entre os períodos T2/T1T_2/T_1
2 1/2≈0,711/\sqrt{2} \approx 0{,}71 22≈2,82\sqrt{2} \approx 2{,}8
3 1/3≈0,581/\sqrt{3} \approx 0{,}58 33≈5,23\sqrt{3} \approx 5{,}2
4 1/21/2 88
9 1/31/3 2727
1/4 22 1/81/8

Leia a tabela de cima para baixo: quanto mais longe do astro, menor a velocidade e mais longo o período; o satélite que voa baixo é o que corre mais e volta antes. Como só aparecem razões, nenhum valor depende de qual é o astro central.

Exemplo resolvido (PAS 1 2025, item 51). S1S_1 a 6 400 km de altura, S2S_2 a 19 200 km, R=6 400R = 6\,400 km. Raios, não alturas: r1=12 800r_1 = 12\,800 km e r2=25 600r_2 = 25\,600 km, razão r2/r1=2r_2/r_1 = 2. De v=GM/rv = \sqrt{GM/r}, v1/v2=r2/r1=2v_1/v_2 = \sqrt{r_2/r_1} = \sqrt{2}: opção B. Quem dividiu as alturas (19 200/6 400=319\,200/6\,400 = 3) achou 3\sqrt{3}, a opção C, plantada para ele.

Exemplo resolvido (PAS 3 2019, item 95). “Para que o período seja reduzido a 1/8, o satélite precisa ser movido para 1/4 do raio.” T∝r3/2T \propto r^{3/2}: (1/4)3/2=(1/2)3=1/8(1/4)^{3/2} = (1/2)^3 = 1/8. Certo. É a última linha da tabela.

Exemplo resolvido (item tipo B autoral). O raio da órbita de S2S_2 é 21% maior que o de S1S_1; pede-se 100×v1/v2100 \times v_1/v_2. v1/v2=r2/r1=1,21=1,1v_1/v_2 = \sqrt{r_2/r_1} = \sqrt{1{,}21} = 1{,}1, marcação 110. Conferência de sentido: o satélite mais baixo é o mais rápido, logo a razão tem de dar mais que 1; se desse menos, o sinal de inversão estaria aceso.

Na prova. Dois itens certos de 2025 saem direto do cancelamento da massa: o item 45, segundo o qual “não é possível lançar dois satélites, em órbitas circulares de mesma altura, que tenham diferentes períodos”, e o item 47, que faz a velocidade orbital depender “da raiz quadrada da massa da Terra”. Catorze anos antes, em 2011, a banca havia testado o mesmo ponto com uma afirmação falsa: duplicar a massa de um satélite geoestacionário “diminuirá a velocidade em 25%” (item 65, errado, porque mm não sobrevive à equação). Vale observar a redação do item 45: ele usa a expressão “não é possível”, categórica, e ainda assim é certo. Palavras como “nunca”, “sempre” e “impossível” não revelam o gabarito; só a física revela.

O astronauta flutua porque cai junto

Na Estação Espacial, g=8,7g = 8{,}7 m/s², 89% do valor do chão. Por que, então, os astronautas flutuam? Porque a estação e tudo dentro dela estão em queda livre, com a mesma aceleração gg local, o tempo todo. Dois corpos que caem com a mesma aceleração não se aproximam nem se afastam um do outro, e cada um vê o outro parado no ar. É o que você sentiria num elevador cujo cabo arrebentou: os pés deixam de apertar o piso, a balança marca zero, e no entanto a gravidade continua lá, puxando você e o elevador com a mesma força por quilo.

Imponderabilidade não é ausência de gravidade

Uma balança mede a força de contato entre você e o apoio, o peso aparente. Em queda livre, você e o apoio caem com a mesma aceleração, a força de contato é nula e o peso aparente é zero. O peso real, mgmg com o gg local, continua existindo: é ele que curva a trajetória e mantém a órbita. Sem gravidade, a estação seguiria em linha reta e se perderia no espaço. “Gravidade zero” é a expressão popular; o nome correto é imponderabilidade ou ausência de peso aparente.

O mesmo raciocínio derruba um segundo mito, o de que um satélite só se mantém lá em cima com os propulsores funcionando. Nada disso: uma vez na velocidade certa, a atração da Terra basta para fechar a curva, e o movimento se sustenta sozinho, indefinidamente, sem gastar combustível. Os propulsores só corrigem, de tempos em tempos, o arrasto do ar rarefeito que ainda existe a 400 km e faz a estação perder uns 2 km de altitude por mês.

Voo parabólico e a torre de queda

A NASA treina astronautas num avião que sobe e depois mergulha em trajetória de queda livre por 20 a 25 segundos: dentro, todo mundo flutua, a 8 km de altura e com gg integral. Parques de diversão fazem a versão curta na torre de queda, os dois segundos em que o estômago sobe. E um vídeo simples resolve a discussão em sala: uma garrafa com furo lateral perde água enquanto está na mão e para de vazar enquanto cai; a água e a garrafa caem juntas, e a pressão que empurrava a água pelo furo desaparece.

Satélite de TV e satélite de GPS: duas órbitas, dois ofícios

Quem instala uma antena de TV por satélite aponta o prato uma única vez, aperta os parafusos e nunca mais mexe. Isso só funciona porque o satélite mirado, visto do telhado, não se desloca: ele leva exatamente um dia para dar a volta na Terra, e o telhado, carregado pela rotação do planeta, leva o mesmo dia para dar a sua. Os dois giram em sincronia, e a linha que liga um ao outro mantém a direção. Os satélites que alimentam o GPS do celular fazem um serviço diferente e vivem de outro jeito: cada um completa duas voltas por dia, surge num horizonte e some no outro em questão de horas, de modo que o sistema precisa de uma frota de cerca de trinta para garantir que, de qualquer ponto do globo, haja sempre quatro ou mais acima do horizonte.

Satélite geoestacionário

Três condições, todas necessárias: período igual ao de rotação da Terra (24 h, com precisão 23 h 56 min), órbita circular no plano do equador e sentido igual ao da rotação (de oeste para leste). Com as três, o satélite acompanha um ponto fixo do solo. O período fixa o raio pela relação T2=4π2r3/GMT^2 = 4\pi^2 r^3/GM: r≈42 000r \approx 42\,000 km do centro, cerca de 36 000 km de altitude, e a velocidade fica em 3,1 km/s. Só existe uma órbita geoestacionária, um anel sobre o equador, e por isso as posições nele são disputadas e reguladas.

A Terra em escala com quatro órbitas circulares: a Estação Espacial a 400 km, quase rente à superfície; a órbita do GPS a 20 200 km de altitude; a órbita geoestacionária a 35 800 km de altitude, no plano do equador, com um satélite e a antena no solo apontando para ele; e, fora da escala do desenho, a Lua a 384 000 km, presente só na tabela. Uma tabela lateral traz altitude, raio, velocidade e período de cada uma.
Quatro moradores do céu, em escala. A Estação Espacial dá a volta em 92 min a 7,7 km/s; o GPS, em 12 h a 3,9 km/s; o geoestacionário, em 24 h a 3,1 km/s, sempre sobre o mesmo ponto do equador; a Lua, em 27,3 dias a 1,0 km/s. Mais alto, mais lento. Diagrama autoral.

Exemplo resolvido (o raio geoestacionário). Pelo caminho direto, com GM=gR2=4,0×1014GM = gR^2 = 4{,}0 \times 10^{14} m³/s² e T=86 400T = 86\,400 s: r3=GMT2/4π2=4,0×1014×(86 400)2/39,5=7,6×1022r^3 = GMT^2/4\pi^2 = 4{,}0 \times 10^{14} \times (86\,400)^2/39{,}5 = 7{,}6 \times 10^{22} m³, logo r=4,2×107r = 4{,}2 \times 10^{7} m =42 000= 42\,000 km, e a altitude é 42 000−6 400≈36 00042\,000 - 6\,400 \approx 36\,000 km. Conferência por razões, usando a Lua como referência: o período lunar é 27,3 dias, então (rgeo/rLua)3=(1/27,3)2(r_{\text{geo}}/r_{\text{Lua}})^3 = (1/27{,}3)^2, rgeo/rLua=(1/27,3)2/3≈1/9,1r_{\text{geo}}/r_{\text{Lua}} = (1/27{,}3)^{2/3} \approx 1/9{,}1, e 384 000/9,1≈42 000384\,000/9{,}1 \approx 42\,000 km. As duas contas fecham.

Exemplo resolvido (GPS). Período de 12 h, T=43 200T = 43\,200 s: r3=4,0×1014×(43 200)2/39,5=1,89×1022r^3 = 4{,}0 \times 10^{14} \times (43\,200)^2/39{,}5 = 1{,}89 \times 10^{22} m³, r=2,66×107r = 2{,}66 \times 10^{7} m =26 600= 26\,600 km, altitude de 20 200 km, que é a do sistema real. Em razão com o geoestacionário: metade do período leva o raio a (1/2)2/3≈0,63(1/2)^{2/3} \approx 0{,}63 do raio geoestacionário, e 0,63×42 000≈26 5000{,}63 \times 42\,000 \approx 26\,500 km. Cada satélite emite, sem parar, a própria posição e a hora exata de seu relógio atômico; o aparelho no chão compara o atraso com que esses sinais chegam de quatro ou mais satélites, traduz cada atraso em distância e resolve a geometria para descobrir onde está. Os relógios de bordo precisam de correção relativística, porque a gravidade mais fraca lá em cima os faz adiantar 45 microssegundos por dia; sem a correção, o erro de posição cresceria uns 10 km por dia.

Exemplo resolvido (PAS 1 2011, item 64). “O raio da órbita de um satélite geoestacionário é 12,4% do raio da órbita lunar”, com período lunar de 27 dias. (rgeo/rLua)3=(1/27)2(r_{\text{geo}}/r_{\text{Lua}})^3 = (1/27)^2, logo rgeo/rLua=(1/27)2/3=(1/3)2=1/9=11,1%r_{\text{geo}}/r_{\text{Lua}} = (1/27)^{2/3} = (1/3)^2 = 1/9 = 11{,}1\%. Errado. Conferência com os números reais: 42 000/384 000=10,9%42\,000/384\,000 = 10{,}9\%.

Sensoriamento remoto. Um satélite parado sobre um ponto do equador enxerga sempre a mesma metade do globo, de longe e sem nunca ver os polos; não serve para mapear o planeta. Para fotografar tudo, o caminho é a órbita baixa: os CBERS, satélites construídos em parceria entre Brasil e China e operados pelo INPE, voam a 778 km, completam 14 voltas por dia e, a cada passagem, cobrem uma faixa nova de terreno, de modo que em poucos dias o globo inteiro foi varrido. É deles que vêm as imagens do desmatamento. O item 23 de 2007 dizia que um satélite destinado a fotografar regiões diferentes do planeta “deve seguir órbita geoestacionária”: errado. Em 2010, sobre o CBERS a 778 km: um satélite planejado para ser geoestacionário “deve ser colocado a altura maior que 778 km” (certo, 36 000 km); já um satélite que ocupasse a altitude geoestacionária mas percorresse a órbita no sentido contrário ao da rotação da Terra não seria geoestacionário (o item afirmava que seria: errado, pois ele cruzaria o céu duas vezes por dia).

Polar de 24 h não é geoestacionário

Um satélite em órbita polar com período de 24 h passa sobre o mesmo ponto uma vez por dia, mas não fica parado sobre ele: percorre o céu de polo a polo. Só a órbita equatorial, no sentido da rotação e com 24 h acompanha o solo. Um item que troque qualquer uma das três condições está errado.

Energia e velocidade de escape: a ponte curta

Perto da superfície, a energia potencial gravitacional é mghmgh, e a página energia usa essa forma o tempo todo. Ela pressupõe gg constante, o que só vale enquanto hh for pequeno diante do raio da Terra. A centenas ou milhares de quilômetros, gg cai visivelmente e mghmgh superestima a energia. Em 2025 a banca afirmou que a variação da energia potencial do satélite ao subir até uma altura hh orbital “será mSghm_S gh”: errado, porque o texto falava de órbitas de 300 km a 400 000 km. Em 2022, no bloco de um canhão, “considerar a gravidade constante” para projéteis a mais de 2 km/s “não afetaria os cálculos”: errado pelo mesmo motivo.

Energia potencial da gravitação e velocidade de escape

Com gg variando, a energia potencial de mm à distância rr do centro de MM é

Ep=−GMmr,E_p = -\frac{G M m}{r},

com zero no infinito e valor negativo em toda distância finita: o corpo está preso. Para escapar a partir da superfície, a energia cinética precisa cobrir esse poço, 12mv2=GMm/R\tfrac{1}{2}mv^2 = GMm/R, o que dá a velocidade de escape

ve=2GMR=2gR=2 vrasante.v_e = \sqrt{\frac{2GM}{R}} = \sqrt{2gR} = \sqrt{2}\,v_{\text{rasante}}.

Na Terra, 2×7,9≈11,2\sqrt{2} \times 7{,}9 \approx 11{,}2 km/s; na Lua, 2,4 km/s; em Marte, 5,0 km/s. A massa do corpo que escapa cancelou de novo. O campo gravitacional é conservativo: o trabalho entre dois pontos não depende do caminho, e o trabalho numa órbita circular é nulo, porque a força é sempre perpendicular à velocidade.

A prova cobra a leitura, não a fórmula. Em 2010: “a velocidade necessária para um objeto escapar da Terra depende não da massa desse objeto, mas da massa da Terra” (certo). Em 2019, na 3.ª etapa: “um satélite de massa maior deverá ter velocidade de escape maior” (errado). Em 2008, com vev_e de Marte 5 km/s e da Terra 11,18 km/s, “um corpo precisaria de aproximadamente o dobro de energia cinética” para escapar da Terra: errado, energia vai com v2v^2, e (11,18/5)2=5(11{,}18/5)^2 = 5, cinco vezes. Em 2021, “o campo gravitacional varia com o inverso do quadrado da distância, portanto não é um campo conservativo”: errado, ele é conservativo; a dependência 1/r21/r^2 não tem nada a ver com isso.

Pontos de Lagrange: onde o James Webb estaciona

Um corpo pequeno perto de dois grandes, como um telescópio perto do Sol e da Terra, sente duas atrações ao mesmo tempo. Existem cinco posições em que a soma das duas atrações é exatamente a força centrípeta de que o corpo precisa para girar em torno do Sol no mesmo período que a Terra, um ano. Nesses pontos o corpo acompanha a Terra e fica parado em relação a ela. São os pontos de Lagrange.

O Sol no centro, a órbita da Terra como um círculo tracejado e a Terra sobre ele. Três pontos na reta Sol-Terra: L1 entre os dois, L2 além da Terra e L3 atrás do Sol, na direção oposta. L4 e L5 ocupam os vértices de triângulos equiláteros que têm o segmento Sol-Terra como base, um acima e outro abaixo da linha. Em L4, dois vetores de força apontam para o Sol e para a Terra, formando 60 graus; um painel lateral lembra que a resultante aponta para o centro de massa do sistema. Uma seta indica o telescópio James Webb circulando L2, cerca de 1,5 milhão de quilômetros além da Terra.
As cinco posições de equilíbrio do sistema Sol–Terra, sem escala. Três delas (L1, L2, L3) estão alinhadas com os dois astros; as outras duas (L4, L5) são vértices de triângulos equiláteros cuja base vai do Sol à Terra. Em L4, as duas atrações formam 60° e a resultante aponta para o centro de massa. O telescópio James Webb orbita em volta de L2. Diagrama autoral.

Os três pontos alinhados ficam sobre a reta que passa pelo Sol e pela Terra: L1 no trecho entre os dois astros; L2 do lado de fora, além da Terra, a cerca de 1,5 milhão de km dela; L3 na direção oposta, escondido atrás do Sol. Em L2, Sol e Terra puxam o corpo para o mesmo lado, e a soma das duas atrações é justamente a força centrípeta extra que um corpo mais longe do Sol precisa para acompanhar a Terra em um ano. Os outros dois pontos, L4 e L5, ocupam os vértices livres dos dois triângulos equiláteros que têm o segmento Sol–Terra como um dos lados: neles, o corpo está à mesma distância do Sol e da Terra, as duas forças formam 60° entre si e a resultante aponta para o centro de massa do sistema, que fica praticamente no centro do Sol.

O telescópio James Webb, lançado em 2021, foi colocado numa órbita ao redor de L2. A escolha é térmica e prática: ali Sol, Terra e Lua ficam todos do mesmo lado, um único escudo bloqueia os três, e a distância à Terra é fixa, o que mantém a comunicação contínua. O artigo “Desvendando o Endereço Físico do Telescópio James Webb”, da Revista Brasileira de Ensino de Física, é obra do PAS, e a banca montou com ele em 2024 um bloco de onze itens: terceira lei (88), aceleração independente da massa (89), trabalho nulo em órbita circular (92), centro de massa (93), a geometria de L4 (94) e a composição das forças em L4 e L5 (96). O item 94 é o retrato do método: “se o telescópio está em L4, sua distância do Sol é igual à sua distância da Terra”, certo, porque o triângulo é equilátero e a definição estava impressa no texto-base. A banca não cobrou Lagrange de memória; cobrou ler a definição e fechar a geometria.

Os asteroides que moram em L4 e L5

L4 e L5 são pontos de equilíbrio estável: um corpo que se afaste um pouco deles tende a voltar, em vez de escapar. Por isso a natureza os ocupou. Nos pontos L4 e L5 do sistema Sol–Júpiter vivem milhares de asteroides, os troianos, divididos em dois grupos que acompanham Júpiter 60° à frente e 60° atrás na órbita. L1, L2 e L3 são instáveis: o James Webb precisa de pequenas correções de trajetória a cada poucas semanas para não escorregar de L2.

Como a banca pergunta

Gravitação e satélites renderam itens em seis provas do PAS 1 entre 2007 e 2025, e as duas últimas concentram o crescimento: 4 itens em 2024, 5 em 2025. A 3.ª etapa cobra o mesmo recorte com mais conta. Seis padrões cobrem tudo:

  1. A massa que cancela. Aceleração, altura de subida, velocidade orbital e período não dependem da massa do corpo: 2024/89, 2025/45, 2025/46, 2025/47 (certos); 2011/65 e PAS 3 2019/94 (errados por afirmar a dependência). Escreva GMm/r2=mv2/rGMm/r^2 = mv^2/r e olhe o que some.
  2. Razões entre dois satélites. v1/v2=r2/r1v_1/v_2 = \sqrt{r_2/r_1}, T2/T1=(r2/r1)3/2T_2/T_1 = (r_2/r_1)^{3/2}: 2025/51 (2\sqrt{2}), PAS 3 2019/95 (T/8T/8 para r/4r/4), 2011/64 (11%, não 12,4%). Converta cada altitude em raio (R+hR + h) e só então monte a razão.
  3. g como razão. g1/g2=(M1/M2)(R2/R1)2g_1/g_2 = (M_1/M_2)(R_2/R_1)^2: PAS 3 2018 (81,30/13,45=681{,}30/13{,}45 = 6), PAS 3 2019/97 (72=497^2 = 49), PAS 3 2013/73 (9,5 a 100 km), PAS 3 2017/120 (43πGρR=18\tfrac{4}{3}\pi G\rho R = 18).
  4. Peso × massa e o mito da gravidade zero. PAS 3 2018/79 a 81 (bandeirola, homem, trabalho na Lua), PAS 3 2021/96 (ouro nos Alpes). Massa não muda; peso muda com gg; astronauta flutua por queda livre.
  5. Geoestacionário: as três condições. 24 h, equatorial, sentido da rotação: 2007/23, 2010/112, 2010/114. Imageamento exige órbita baixa, não geoestacionária.
  6. Limites do modelo e leitura do texto-base. mghmgh só para h≪Rh \ll R (2025/43, 2022/87); Lagrange pela definição impressa (2024/94, 2024/96); história bem contada (PAS 2 2024/99).

O texto-base costuma ser uma obra da lista ou um documento: o programa CBERS (2010), o James Webb (2024), a corrida espacial (2025), a missão Apollo (PAS 3 2018), os satélites de comunicação (PAS 3 2019), a suíte Os Planetas de Holst (PAS 3 2008). As constantes vêm no comando: se R=6,4R = 6{,}4 Mm ou GG estão lá, há um item de gravitação no bloco, e o dado do fim do texto costuma decidir dois itens.

Os erros que a prova planta

  1. Altura no lugar do raio. r=R+hr = R + h, sempre. 800 km de altitude é r=7 200r = 7\,200 km. Dividir alturas em vez de raios troca 2\sqrt{2} por 3\sqrt{3} (2025/51).
  2. “No espaço não há gravidade.” Na Estação Espacial, g=8,7g = 8{,}7 m/s². O astronauta flutua porque cai junto com a estação. Sem gravidade não haveria órbita.
  3. Peso e massa trocados. Massa em kg, não muda; peso em N, P=mgP = mg, muda com o astro e com a altitude. Na Lua, mesma massa, um sexto do peso.
  4. Satélite mais alto é mais rápido. É o contrário: v=GM/rv = \sqrt{GM/r} cai com o raio. Mais alto, mais lento e mais demorado. Para subir de órbita gasta-se energia, e ainda assim a velocidade orbital final é menor.
  5. 1/r1/r em vez de 1/r21/r^2. Dobrar a distância divide a força por 4, não por 2. E a energia potencial, essa sim, vai com 1/r1/r: não confunda as duas.
  6. Fazer a velocidade ou o período dependerem da massa do satélite. Ela cancela. Dobrar a massa do satélite não muda nada na órbita (2011/65).
  7. Geoestacionário com uma condição só. Período de 24 h em órbita polar, ou no sentido contrário à rotação, não é geoestacionário (2010/114).
  8. mghmgh para alturas orbitais. A fórmula pressupõe gg constante; para hh comparável a RR, use −GMm/r-GMm/r (2025/43).
  9. “Força maior, aceleração maior.” Só se a massa for a mesma. Terra e Lua trocam forças iguais; a Lua acelera 81 vezes mais.
  10. Achar que o campo 1/r21/r^2 não é conservativo. É conservativo: o trabalho não depende do caminho e é nulo em órbita circular (PAS 3 2021/95, 2020/98).

O essencial em meia página

  • Lei: F=GMm/r2F = GMm/r^2, G=6,67×10−11G = 6{,}67 \times 10^{-11} N·m²/kg², rr entre centros, sempre atrativa, par ação e reação (forças iguais, acelerações diferentes). Dobrou rr, força ÷ 4.
  • Campo e gg: a=GM/r2a = GM/r^2, a massa do corpo cancela; todos caem igual. Superfície: g=GM/R2g = GM/R^2, GM=gR2=4,0×1014GM = gR^2 = 4{,}0 \times 10^{14} m³/s² para a Terra. Lua g/6g/6, Marte 0,38 g0{,}38\,g. Planeta com 2M2M e 2R2R: g/2g/2. Densidade: g=43πGρRg = \tfrac{4}{3}\pi G\rho R.
  • Altitude: g(h)=g0[R/(R+h)]2g(h) = g_0 [R/(R+h)]^2. ISS (400 km): 8,7 m/s², 89%. Geoestacionário: g0/49g_0/49.
  • Peso × massa: massa em kg não muda; peso =mg= mg em N muda. Imponderabilidade = queda livre conjunta, não ausência de gravidade.
  • Órbita circular: gravitação = centrípeta; v=GM/rv = \sqrt{GM/r}; T=2πr3/GMT = 2\pi\sqrt{r^3/GM}; massa do satélite não entra. Rasante: 7,9 km/s, 85 min. ISS: 7,7 km/s, 92 min. Razões: r→4rr \to 4r dá v/2v/2 e 8T8T; r→r/4r \to r/4 dá T/8T/8.
  • Geoestacionário: 24 h + plano do equador + sentido da rotação; r≈42 000r \approx 42\,000 km, h≈36 000h \approx 36\,000 km, 3,1 km/s. GPS: 20 200 km de altitude, 12 h, quatro satélites para uma posição. Imageamento (CBERS, 778 km): órbita baixa.
  • Energia: Ep=−GMm/rE_p = -GMm/r; mghmgh só para h≪Rh \ll R. Escape: ve=2GM/R=2 vrasante=11,2v_e = \sqrt{2GM/R} = \sqrt{2}\,v_{\text{rasante}} = 11{,}2 km/s; não depende da massa do corpo. Campo conservativo; trabalho nulo em órbita circular.
  • Lagrange: cinco pontos em que Sol + Terra dão a centrípeta para acompanhar a Terra; L4 e L5 equidistantes de Sol e Terra (triângulo equilátero, forças a 60°); James Webb em L2.
  • Itens: 2025/51 (2\sqrt{2}), 2025/45–47 ©, 2024/89 e 94 ©, 2011/64–65 (E), 2010/112 © e 114 (E), 2007/23 (E); PAS 3: 2019/97 (049), 2017/120 (18), 2018/79–81 (E, C, E), 2013/73 ©, 2021/96 (E).
  • Vizinhos: força centrípeta em movimento circular uniforme; segunda e terceira leis em leis de Newton; mghmgh e conservação em energia; composição das forças em L4 em vetores; elipses e as três leis em leis de Kepler e órbitas; o efeito diferencial da Lua sobre os oceanos em marés.

Exercícios temporariamente indisponíveis

Não foi possível consultar o banco de questões. O conteúdo da aula continua disponível.

Flashcards temporariamente indisponíveis

Não foi possível consultar os cartões de revisão.

Gravitação: Lei da Gravitação | Física
Como é bom ser nerd - Pura Física · 10:45
Introdução. Aula curta que apresenta a lei da gravitação universal de Newton, mostra como se calcula a força entre duas massas e do que ela depende (as duas massas e o quadrado da distância), com a ordem de grandeza de GG. É a seção “Toda massa atrai toda massa: a lei de Newton” desta página, inclusive a leitura do inverso do quadrado e do par de ação e reação. Bom para assistir antes de ler.
ÓRBITAS NA GRAVITAÇÃO - Cálculo da Velocidade Orbital
Felipe Sampaio - Física · 27:18
Aprofundamento. Terceira aula de gravitação do canal, com capítulos marcados na descrição: o canhão de Newton (0:00), o que é uma órbita (5:55), força gravitacional igual a força resultante centrípeta (6:45) e um exercício com a velocidade de uma estação espacial (8:00). É exatamente a construção das seções “Orbitar é cair sem parar” e “O raio fixa tudo”: a órbita como queda contínua, a igualdade GMm/r2=mv2/rGMm/r^2 = mv^2/r e o cancelamento da massa do satélite, com o mesmo exemplo numérico da Estação Espacial que a página resolve.
Satélite Artificial - Brasil Escola
Brasil Escola Oficial · 6:37
Aplicação. Vídeo de 6 minutos que explica como os satélites são lançados, qual equação define a velocidade orbital e o que são satélites geoestacionários, com o lançamento horizontal e a órbita como queda. Cobre a seção “Geoestacionário e GPS: dois moradores do céu” e a condição de o satélite acompanhar a rotação da Terra, e a descrição do vídeo remete ao simulador PhET Gravity and Orbits, que está nos links desta página.
Resolução do PAS 3 UnB 2019 - Gravitação: velocidade de escape, lei dos períodos e aceleração
Física+ · 40:23
Resolução de itens reais. O professor Matheus Aguiar resolve os quatro itens do bloco dos satélites geoestacionários da 3.ª etapa de 2019: item 94 (2:13), velocidade de escape e massa do satélite; item 95 (5:40), período reduzido a 1/8 para raio reduzido a 1/4; item 96 (19:20), aceleração no periélio e no afélio; item 97 (23:34), a razão 49 entre a gravidade na superfície e na órbita geoestacionária. Os quatro itens estão nesta página, nas seções “g é a ficha técnica do astro”, “O raio fixa tudo” e “Energia e velocidade de escape”, e nos exercícios; resolva antes de assistir.
Rota PAS 1
Do chão ao cosmos: gravitação, astronomia e o século da física · PAS 1

Fontes desta página

Os materiais abaixo contribuíram para a explicação e os exemplos deste assunto.

  • Rota PAS 1 — Do chão ao cosmos: gravitação, astronomia e o século da física · Antes de começar: dez minutos de aquecimento (massa e peso, proporção inversa ao quadrado, raiz, volta completa, segunda lei, potências de dez; quadro O que cai daqui); A lei da gravitação: a maçã e a Lua caem pela mesma razão (conceito, tabela Terra–Lua, teste de Newton, leituras da fórmula); Peso e gravidade local: por que a massa cancela (g = GM/R², Lua e ISS, itens 2024/89, 2025/46, 2022/87); Órbitas: cair sem parar (canhão de Newton, v = √(GM/r), tabela de razões, armadilha da gravidade zero); Geoestacionário e GPS: dois moradores do céu (condições, raio por razões, item 2010/112, armadilha altura × raio); Leia como na prova: um bloco de 10 itens (bloco 2025/42–51, itens 47, 42, 51 anotados); Como a banca cobra (histórico 2005–2025, itens 2025/45, 2025/43, 2024/94); pontos de Lagrange e o James Webb; Resolvidos (massas diferentes na mesma órbita, razão de velocidades tipo B); Banco de treino T1 a T24

    Recorte por assunto: lei de Newton, g local e altitude, órbitas circulares, satélites geoestacionário e GPS, energia e escape como ponte, Lagrange como caso conceitual. As seções de marés, história dos modelos astronômicos e física moderna do mesmo capítulo ficam nas páginas mares, historia-da-astronomia e leis-de-kepler-e-orbitas. A página acrescenta a dedução numérica de g, GM = gR², g a partir da densidade, a tabela de astros, a ISS em números, a energia potencial −GMm/r e a velocidade de escape, a leitura do gráfico g × r e itens da 2.ª e da 3.ª etapa (2008 a 2021) ausentes do capítulo.

  • Cadernos e gabaritos oficiais do PAS/UnB (Cebraspe) · PAS 1 2007 (item 23, fotografias de satélite de Santa Maria), 2010 (itens 104, 112 e 114, bloco CBERS), 2011 (itens 64 e 65, satélite geoestacionário e período lunar), 2022 (item 87, canhão intercontinental), 2024 (itens 88, 89, 94 e 96, bloco do telescópio James Webb), 2025 (itens 42, 43, 45, 46, 47 e 51, bloco da corrida espacial); PAS 2 2024 (item 99, Newton e a lei da gravitação); PAS 3 2008 (item 94, velocidade de escape de Marte), 2013 (item 73, aceleração a 100 km), 2015 (item 89, fluxo de linhas de campo), 2016 (item 109, ação e reação Sol–planeta), 2017 (item 120, g a partir da densidade), 2018 (itens 79 a 81, bandeirola na Lua), 2019 (itens 94 a 97, satélites geoestacionários), 2020 (item 98, campo conservativo), 2021 (itens 95 e 96, campo conservativo e peso nos Alpes)

    Itens reproduzidos verbatim dos cadernos em texto; gabaritos conferidos nos arquivos GAB e em utils/material/PAS/pesquisa/classificacao[-pas2|-pas3]/AAAA.json. O caderno da 3.ª etapa de 2017 está cifrado no texto e foi lido na imagem do PDF em utils/material/PAS/provas/. Figuras impressas (Sol, Terra e telescópio com F1, F2 e F, e as figuras I e II dos pontos de Lagrange em 2024; figura II dos fluxos de campo em 2015; elipse com periélio e afélio em 2016; linhas de campo e caminhos fechados em 2020; fotografias de satélite em 2007; área de desmatamento em 2010) foram descritas em texto neutro no suporte das questões. O item 2010/111 (energia mecânica do satélite, gabarito E) não foi usado: o caderno fornece só m = 1 450 kg, h = 778 km e R = 6 400 km, sem g nem GM, e com g = 10 m/s² (ou 9,8) a energia mecânica −GMm/2r dá −0,41 × 10¹¹ J, o que tornaria o item certo; não fecha com o gabarito oficial.