PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 6 (Física) da 2ª fase do ITA 2024
Texto-base das questões 01 a 10 · Física
Quando necessário, considere as seguintes constantes:
Aceleração local da gravidade g = 10\text{ m/s}^2.
Constante de gravitação universal G = 6{,}7 \times 10^{-11}\text{ N.m}^2/\text{kg}^3.
Velocidade da luz no vácuo c = 3{,}0 \times 10^8\text{ m/s}.
Se necessitar, use a seguinte aproximação numérica:
(1 + x)^n \approx 1 + nx para |x| \ll 1.
Um observatório analisa a frequência de uma emissão eletromagnética, de frequência natural f_e, proveniente de duas estrelas que formam um sistema binário com órbitas circulares. O gráfico obtido está representado na figura.

Com base nesse gráfico, estime:
a) a distância que separa as duas estrelas em metros;
b) a massa de cada uma das estrelas em quilogramas.
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Resolução comentada
a) O desvio de frequência por efeito Doppler é \dfrac{\Delta f}{f_e}=\dfrac{v}{c} para v\ll c. Ele mede a velocidade orbital de cada estrela ao longo da linha de visada. Isso vale se a órbita é vista de lado e o sistema não se move em relação ao observatório, pois a oscilação é simétrica em torno de f_e.
No gráfico, a estrela 1 oscila com amplitude 0{,}001f_e. A estrela 2 oscila com amplitude de metade disso, 0{,}0005f_e. Logo:
O período é T=12\ \text{dias}=12\cdot 86400=1{,}04\times10^{6}\ \text{s}. As estrelas giram em torno do centro de massa com o mesmo período, em órbitas circulares de raios r=\dfrac{vT}{2\pi}:
As estrelas ficam em lados opostos do centro de massa, o que concorda com as curvas em oposição de fase. Então:
d\approx7{,}4\times10^{10}\ \text{m}
b) O centro de massa dá m_1r_1=m_2r_2, ou seja, m_2=2m_1. A estrela de maior velocidade é a de menor massa.
A força gravitacional é a resultante centrípeta de cada estrela. Para a estrela 1:
Para a estrela 2, m_1=\dfrac{\omega^2r_2d^2}{G}. Somando as duas:
Com \omega=\dfrac{2\pi}{T}\approx6{,}06\times10^{-6}\ \text{rad/s}, temos \omega^2\approx3{,}67\times10^{-11}\ \text{s}^{-2}. Também d^3\approx(7{,}43\times10^{10})^3\approx4{,}1\times10^{32}\ \text{m}^3. Então:
Como m_2=2m_1, vem m_1=M/3 e m_2=2M/3:
m_1\approx7{,}5\times10^{31}\ \text{kg} (estrela 1) e m_2\approx1{,}5\times10^{32}\ \text{kg} (estrela 2)
Assuntos: Gravitação universal e satélites, Leis de Kepler, Efeito Doppler.
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Fonte: ITA 2ª fase 2024 · Física. Prova oficial ↗