PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 2 (Física) da 2ª fase do IME 2026
Um sistema planetário muito distante é composto por dois planetas A e B que executam ambos órbitas circulares em torno da estrela S. Um cometa C estava em rota de colisão frontal com A. Depois da colisão, foi possível observar que o choque foi perfeitamente inelástico e quando os corpos se moviam em sentido contrário, gerando assim o novo planeta, chamado CA, agora com órbita elíptica em torno de S.
Dados:
• tempo de órbita completa de A em torno de S (antes da colisão): 160 dias de A;
• 1 dia de A (antes da colisão): 4 dias terrestres;
• tempo de órbita completa de B em torno de S: 90 dias de B;
• 1 dia de B: 3 dias terrestres;
• para um corpo fixo na superfície de CA, imediatamente após o choque, a força de gravidade provocada por S é 0{,}081\% da força de gravidade provocada por CA;
• para um corpo fixo na superfície de B, a força de gravidade provocada por S é 2{,}048\% da força de gravidade provocada por B;
• dimensões de CA (depois da colisão) = dimensões de A (antes da colisão) = dimensões de B;
• a energia mecânica (cinética mais potencial gravitacional) de CA (após a colisão) é 7 vezes a energia mecânica de B, sendo ambas negativas.
Observações:
• despreze o efeito gravitacional da aproximação do cometa C nas trajetórias dos planetas A e B;
• despreze a interação gravitacional entre os planetas A e B;
• o potencial gravitacional no infinito é nulo;
• os raios de A e B são muito menores que os raios de suas órbitas.
Considerando o cenário descrito, determine:
a) a razão entre os raios das órbitas de A e B;
b) a razão entre as velocidades das órbitas de A e B;
c) a razão entre as massas de B e CA;
d) a razão entre a velocidade de órbita de B e a velocidade de CA imediatamente após o choque;
e) se, imediatamente após o choque, CA estará em apoastro (ponto da órbita mais afastado de S) ou em periastro (ponto da órbita mais próximo de S), justificando a sua resposta.
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Resolução comentada
a) Primeiro passe os períodos para dias terrestres: T_A = 160\times 4 = 640 dias e T_B = 90\times 3 = 270 dias.
Pela 3ª lei de Kepler, T^2\propto r^3 para órbitas em torno da mesma estrela:
r_A/r_B = 16/9
b) Em órbita circular, v=\dfrac{2\pi r}{T}. Então:
Confere com v=\sqrt{GM_S/r}, que dá v_A/v_B=\sqrt{r_B/r_A}=3/4.
v_A/v_B = 3/4
c) Para um corpo de massa m na superfície de um planeta de raio R, a razão entre a força de S e a força do planeta é \dfrac{M_S R^2}{M_p\, r^2}. Os raios R são iguais, e imediatamente após o choque CA ainda está a r_A de S.
- CA: \dfrac{M_S}{M_{CA}}\dfrac{R^2}{r_A^2}=8{,}1\times10^{-4}
- B: \dfrac{M_S}{M_B}\dfrac{R^2}{r_B^2}=2{,}048\times10^{-2}
Dividindo a primeira pela segunda, M_S e R se cancelam:
M_B/M_{CA}=1/8
d) Energia mecânica de B (órbita circular): E_B=-\dfrac{GM_SM_B}{2r_B}.
Energia de CA logo após o choque, com velocidade v a r_A de S: E_{CA}=M_{CA}\left(\dfrac{v^2}{2}-\dfrac{GM_S}{r_A}\right).
O enunciado dá E_{CA}=7E_B, e pelo item (c) M_{CA}=8M_B. Chamando v_B^2=GM_S/r_B, temos \dfrac{GM_S}{r_A}=\dfrac{r_B}{r_A}v_B^2=\dfrac{9}{16}v_B^2. Assim:
Logo v=\dfrac{v_B}{2}.
v_B/v_{CA}=2
e) Como a colisão é frontal e entre velocidades tangenciais, a velocidade de CA logo após o choque continua perpendicular ao raio vetor. Isso significa que esse ponto é um apside (apoastro ou periastro).
A velocidade circular de A a essa distância é v_A=\tfrac34 v_B=0{,}75\,v_B, e CA tem apenas v=0{,}5\,v_B, menor que a circular.
Com velocidade menor que a circular, a atração de S supera o que seria necessário para manter o raio, e CA passa a cair em direção à estrela. Então o ponto é o mais afastado da órbita. A órbita é ligada porque E_{CA}<0.
CA está no apoastro.
Assuntos: Gravitação universal e satélites, Colisões, Leis de Kepler.
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Fonte: IME 2ª fase 2026 · Física. Prova oficial ↗