PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 4 do ITA 2021
Texto-base das questões 01 a 15 · 1ª fase
Quando precisar use os seguintes valores para as constantes:
Aceleração local da gravidade g=10\text{ m/s}^2. Constante gravitacional universal G=6{,}67\times 10^{-11}\text{ m}^3.\text{kg}^{-1}.\text{s}^{-2}.
Velocidade da luz no vácuo c=3{,}0\times 10^8\text{ m/s}. Constante de Planck reduzida \hbar= 1{,}05\times 10^{-34}\text{ J.s}.
Permeabilidade magnética do vácuo \mu_0=4\pi\times 10^{-7}\text{ N.A}^{-2}. Carga elétrica elementar e=1{,}6\times 10^{-19}\text{ C}.
Massa do elétron m_0=9{,}1\times 10^{-31}\text{ kg}. Constante eletrostática do vácuo K_0=9{,}0\times 10^9\text{ N.m}^2.C^{-2}.
Considere um sistema de três satélites idênticos de massa m dispostos nos vértices de um triângulo equilátero de lado d. Considerando somente o efeito gravitacional que cada um exerce sobre os demais, calcule a velocidade orbital dos satélites com respeito ao centro de massa do sistema para que a distância entre eles permaneça inalterada.
- A\sqrt{\frac{3Gm}{2d}}
- B\sqrt{\frac{Gm}{d}}
- C\sqrt{\frac{Gm}{2d}}
- D\sqrt{\frac{Gm}{3d}}
- E\sqrt{\frac{3Gm}{d}}
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Resolução comentada
Os três satélites giram em torno do centro de massa, que no triângulo equilátero é o centro do triângulo. Para a distância entre eles não mudar, a força gravitacional resultante sobre cada um deve fazer o papel de força centrípeta.
-
Raio da órbita: o centro de um triângulo equilátero de lado d está a R=\frac{d}{\sqrt{3}} de cada vértice.
-
Força de cada um dos outros dois satélites sobre um deles: F=\frac{Gm^2}{d^2}. As duas forças formam 30^\circ com a direção que liga o satélite ao centro.
-
Resultante, apontando para o centro:
F_R=2F\cos 30^\circ=2\cdot\frac{Gm^2}{d^2}\cdot\frac{\sqrt{3}}{2}=\frac{\sqrt{3}\,Gm^2}{d^2} -
Igualando à força centrípeta:
\frac{mv^2}{R}=\frac{\sqrt{3}\,Gm^2}{d^2}\Rightarrow v^2=\frac{\sqrt{3}\,Gm}{d^2}\cdot\frac{d}{\sqrt{3}}=\frac{Gm}{d} -
Portanto:
v=\sqrt{\frac{Gm}{d}}
Alternativa B.
Por que as outras alternativas estão erradas
- AErro de fator numérico: não chega a v^2=Gm/d ao simplificar \sqrt{3} e usar o raio correto.
- CUsa só metade da razão correta, como se a resultante fosse menor ou o raio, maior.
- DDivide por 3 sem justificativa; ignora a composição vetorial das duas forças e o raio d/\sqrt{3}.
- EMultiplica por 3, tratando a soma escalar de forças ou usando o raio errado.
Assuntos: gravitação, movimento circular, sistema de três corpos.
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Fonte: ITA 2021 · 1ª fase. Prova oficial ↗