O que é peso segundo a Física? Explique por que astronautas em órbita da Terra experimentam a sensação de imponderabilidade, mesmo estando sob ação da gravidade terrestre.
Passo 1
O enunciado pede duas coisas:
- Definir o que é “peso” segundo a Física.
- Explicar por que astronautas em órbita da Terra sentem imponderabilidade (ou “peso zero”) mesmo estando sujeitos à gravidade terrestre.
Informações tácitas que vamos usar:
- Astronautas e a nave estão em órbita ao redor da Terra (ou seja, movendo-se ao redor da Terra a certa velocidade).
- A Terra exerce sobre massas uma força de atração gravitacional.
- Não foi dada uma figura nem valores obrigatórios, mas podemos usar valores típicos (por exemplo altitude aproximada da Estação Espacial Internacional) para ilustrar.
Passo 2
Definição rígida e física do peso (forma 1 — força gravitacional).
- Em Física, uma definição bastante usada é que o peso de um corpo é a força com que a Terra (ou outro astro) o atrai por gravidade.
- A lei que descreve essa força é a Lei da Gravitação Universal de Newton:
onde:
-
é a força gravitacional (peso, nesta definição) em newtons; -
é a constante gravitacional universal; -
é a massa da Terra; -
é a massa do corpo (por exemplo do astronauta); -
é a distância entre os centros de massa (no caso de superfície, aproximadamente o raio da Terra). - Definindo a aceleração gravitacional local
, temos a forma muito usada:
- Observação: essa é a “força peso” real — ela existe sempre que há gravitação e depende de
.
Passo 3
Definição operacional (o que um corpo “sente” como peso) e leitura de balança.
- Na prática experimental (o que uma balança mede ou o que sentimos como “peso”), muitas vezes chamamos peso ao contato da superfície sobre o corpo — isto é, à força normal
que a superfície exerce para suportar o corpo. - Para entender isso usemos a Segunda Lei de Newton aplicada verticalmente (escolhendo eixo vertical para cima positivo). Para um corpo em contato com uma superfície:
onde:
-
é a força normal (o que uma balança mede); -
é a força gravitacional para local; -
é a aceleração do conjunto no eixo vertical (positiva para cima). - Desta equação obtemos a leitura da balança:
- Exemplos simples para intuir:
- Se o corpo está em repouso no chão sem acelerar (
), então — balança marca exatamente . - Se um elevador acelera para cima com aceleração
, balança marca (sensação de “mais pesado”). - Se o elevador acelera para baixo com
, balança marca (sensação de “mais leve”). - Se o elevador estiver em queda livre com aceleração
, então
e a balança marca zero — é a sensação de “imponderabilidade”. - Se o corpo está em repouso no chão sem acelerar (
Passo 4
Conceito de queda livre e imponderabilidade.
- “Queda livre” significa que a única força significativa sobre o corpo é a gravidade (ou seja, não existe interação de suporte que gere uma força normal sobre ele).
- Em queda livre, como vimos,
(aceleração do corpo igual à aceleração gravitacional para baixo), daí a força normal é zero. Assim, o corpo não pressiona nenhuma superfície e não sente “peso” — sente-se flutuando. - Importante: a força gravitacional continua existindo (não some). O que desaparece é a força de contato (normal) que dá a sensação de peso.
Passo 5
Aplicação ao caso de astronautas em órbita (por que flutuam lá).
- Uma órbita circular estável é um movimento em que a velocidade tangencial é tal que a aceleração centrípeta necessária para curvar a trajetória é fornecida pela gravidade. Para um corpo de massa
em órbita circular de raio temos:
- Cancelando
dos dois lados:
- Interpretação física: tanto a nave quanto o astronauta estão acelerando na mesma taxa (a aceleração gravitacional local) dirigida para o centro da Terra. Como ambos caem “juntos” ao redor da Terra, não há contato entre astronauta e nave que force o astronauta contra alguma superfície — a força normal é praticamente zero.
- Consequência: dentro da nave os objetos (e os astronautas) flutuam; balanças dentro da nave marcam zero porque
, apesar de a gravidade ser ainda grande.
Passo 6
Exemplo numérico rápido (ISS) para desfazer uma confusão comum.
- A Estação Espacial Internacional (ISS) orbita a cerca de
acima da superfície. O raio da Terra é . Então a distância ao centro é . - A aceleração gravitacional ali vale aproximadamente
onde
é o valor ao nível do mar. Substituindo:
- Conclusão: a gravidade no nível da ISS ainda é grande (cerca de
do valor da superfície). Então a imponderabilidade não vem de “ausência de gravidade”, mas sim do fato de astronauta e nave estarem em queda livre conjunta.
Passo 7
Sensação humana e microgravidade.
- O que nosso corpo interpreta como “peso” é, em grande parte, a pressão e forças de contato (pés contra o chão, encosto de uma cadeira etc.). Sem essas forças, o corpo e órgãos internos não recebem as cues habituais e o cérebro interpreta isso como “ausência de peso”.
- Na prática existem pequenas forças residuais (gradiente gravitacional, forças de maré, acelerações por manobras ou rotação da nave, resistência atmosférica fraca) que causam pequenas acelerações relativas — por isso se fala em “microgravidade” e não em “gravidade zero” estrita.
Resposta
O peso pode ser definido como a força de atração gravitacional sobre um corpo, dada por
Astronautas em órbita experimentam imponderabilidade porque tanto eles quanto a nave estão em queda livre ao redor da Terra: a gravidade fornece a aceleração centrípeta e, por isso, a força normal
sobre o astronauta é praticamente zero, fazendo com que a balança (ou as sensações do corpo) indiquem “peso zero” apesar de a gravidade ainda ser grande.
Astronautas em órbita experimentam imponderabilidade porque tanto eles quanto a nave estão em queda livre ao redor da Terra: a gravidade fornece a aceleração centrípeta