Capítulo 5: Lançando-se no espaço

16 de setembro de 2021 by Alisson Schneider

Figura 1. Representação da queda de uma folha de papel e de uma bolinha de papel.

No capítulo “como sair da Terra” aprendemos que há uma relação forte entre a gravidade e qualquer possibilidade de sair da atmosfera terrestre, porém outro elemento importante da nossa jornada ao espaço é a resistência do ar. No ensino médio aprendemos a desconsiderar a resistência do ar, mas em altas velocidades e na nossa viagem espacial considerá-la é fundamental. Um experimento simples da influência da resistência do ar, que você pode fazer em casa, é observar o movimento de queda de uma folha e uma bolinha de papel.

Figura 2. Diagrama de forças atuando em um foguete, durante seu lançamento. Adaptado de: Pixabay .

Para sair da atmosfera rumo ao espaço, precisamos pensar em como contornar essa “resistência” que ocorre na atmosfera. Algumas peças fundamentais para entender esse movimento são: as forças de resistência do ar (ou de arrasto), o empuxo (ou empuxo dinâmico) e a força da gravidade, como demonstrado na figura 2. A força de arrasto depende de dois fatores essencialmente, a velocidade do objeto em relação ao ar e a forma do foguete. Para minimizar a força de arrasto associada à forma, os foguetes têm sua extremidade em forma de cone invertido, chamado de nariz (ogiva). O empuxo dinâmico é a força que impulsiona o foguete na liberação dos gases oriundos da combustão em seus motores.

Durante seu percurso, o foguete experimenta, como parte do arrasto, a chamada pressão dinâmica, que é uma pressão que se deve ao movimento. É aquela mesma que experimentamos quando andamos em um veículo com a janela aberta: mesmo que não haja vento, sentimos como se houvesse, pois nos deslocamos com velocidade em relação ao ar que está parado. Essa pressão pode ser tão intensa a ponto de danificar o foguete e, portanto, precisa ser considerada.

A pressão dinâmica segue a equação $\inline q= \frac{1}{2}\rho v^{2}$ , onde $\inline q$ é a pressão, $\inline \rho$ é a densidade do ar junto ao objeto e $\inline v$ é a velocidade deste. Ora, se a velocidade é nula no lançamento e a densidade atmosférica é nula no vácuo do espaço, essa pressão também vai ser nula nesses pontos; mas em algum ponto durante o lançamento dentro da atmosfera, ela vai passar por um máximo. Considerando que a construção do foguete possibilita que ele aguente até certos valores de pressão com segurança, a velocidade de lançamento tem que ser controlada para que a pressão máxima durante o voo não ultrapasse esse limiar. Por esse motivo, os foguetes não são lançados com seus motores em potência máxima até atingir certa altura na atmosfera, onde o ar é mais rarefeito.

A atmosfera também demonstra sua influência no retorno à Terra. Durante a reentrada, ao ingressar na atmosfera terrestre, a nave encontra-se em velocidades ultrassônicas, com grande energia cinética. Para não espatifar-se no chão, é necessário reduzir a velocidade da nave, e isso ocorre em diversas etapas.

Figura 3. Diagrama de forças atuando em um paraquedas. Foto original: Amaragem da nave espacial Apollo 9. Adaptado de: NASA.

Em um primeiro momento, a nave colide com a atmosfera. Essa colisão causa um enorme aumento de pressão, que leva à compressão adiabática do gás e seu aumento de temperatura. Este efeito pode ser tão intenso a ponto de ionizar o gás, emitindo luz e outras ondas eletromagnéticas, como rádio e micro-ondas. Todo esse processo causa uma grande dissipação de energia, reduzindo muito a velocidade da nave. Dependendo da inclinação com que a nave entra na atmosfera, ela pode ser empurrada de volta ao espaço ou passar por um estresse tão grande que cause danos à sua estrutura ou carga e passageiros.

Após a reentrada, a nave continua sofrendo efeitos da resistência do ar. Devido a sua alta velocidade, a força de arrasto é maior do que a força gravitacional, e a nave segue desacelerando. Como a densidade atmosférica é maior quanto mais próximo da superfície, esse efeito é gradativo e, quando a velocidade é pequena o suficiente, a nave pode abrir seus paraquedas sem risco de que estes se rompam.

O efeito do paraquedas pode ser entendido da seguinte maneira: a superfície de contato com o ar é ampliada no momento em que ele se abre, fazendo com que a força de resistência do ar aumente, alterando o equilíbrio das forças de arrasto e da gravidade. Quando a força de arrasto e da gravidade se equilibram, a nave atinge o que é chamado de velocidade terminal, pois a força total que age sobre ela é nula e não há aceleração. Com o paraquedas aberto, a velocidade terminal da nave é baixa o suficiente para que ela caia no chão, ou na água, sem maiores danos.

Curiosidade: O paraquedas do gato! Gatos podem sobreviver à queda de grandes alturas!? Na queda de um gato de grandes alturas, ocorre o mesmo efeito do paraquedas. Durante a queda, a força da gravidade atua em favor do movimento de queda livre e a força resistência do ar atua no sentido oposto ao movimento, para equilibrar as forças o gato se estica, aumentando a sua área de contato com o ar. No equilíbrio das forças, o gato passa a ter uma velocidade terminal baixa o suficiente para não se esborrachar no chão.

Museu dos Laboratórios de Ensino de Física - Em Transição

Álisson Francisco Schneider Siebeneichler e Rogério Nunes Wolff / Equipe AMLEF 2021

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