PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 4 do ITA 2024
Texto-base das questões 01 a 12 · 1ª fase
Quando necessário, use os seguintes valores para as constantes:
Aceleração local da gravidade g = 10\ \text{m/s}^2. Velocidade da luz no vácuo c = 3{,}0 \times 10^8\ \text{m/s}.
Constante de gravitação universal G = 6{,}7 \times 10^{-11}\ \text{N.m}^2/\text{kg}^3.
Massa da Terra M_{Terra} = 6{,}0 \times 10^{24}\ \text{kg}. Raio da Terra R_{Terra} = 6{,}4 \times 10^6\ \text{m}.
Aproximações numéricas: \sqrt{60} \approx 7{,}7. (1 + x)^n \approx 1 + nx quando |x| \ll 1.
Sejam duas bases de lançamento de foguete. A primeira localizada em uma cidade no equador terrestre e a segunda na latitude 60^\circ.
Assinale a alternativa que corresponde à melhor estimativa da razão entre os impulsos necessários para que um foguete seja lançado ao espaço partindo da primeira base e da segunda base.
- A1{,}08
- B0{,}98
- C0{,}87
- D0{,}76
- E0{,}68
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Resolução comentada
O impulso é a variação da quantidade de movimento: I = \Delta p = m\,(v_f - v_i). Para o foguete chegar ao espaço, a velocidade final em relação a um referencial inercial (o centro da Terra) é a mesma nos dois casos. A diferença está na velocidade inicial, que é a do ponto da superfície devido à rotação da Terra.
A velocidade de rotação depende do raio da trajetória circular: no equador o raio é R, e na latitude 60^\circ é R\cos 60^\circ = R/2.
- Período de rotação: T = 24\ \text{h} = 86400\ \text{s}.
- No equador: v_1 = \dfrac{2\pi R}{T} = \dfrac{2\cdot 3{,}14\cdot 6{,}4\times10^6}{86400} \approx 465\ \text{m/s}.
- Em 60^\circ: v_2 = v_1/2 \approx 232\ \text{m/s}.
A velocidade final é da ordem da velocidade de escape: v_e = \sqrt{\dfrac{2GM}{R}} = \sqrt{\dfrac{2\cdot6{,}7\times10^{-11}\cdot6\times10^{24}}{6{,}4\times10^6}} = \sqrt{1{,}256\times10^{8}} \approx 1{,}12\times10^4\ \text{m/s}.
A razão entre os impulsos é:
Como a rotação ajuda pouco perto da velocidade de escape, a razão fica ligeiramente abaixo de 1: no equador precisa-se de um pouco menos de impulso.
Alternativa B.
Pegadinha: A alternativa A engana quem inverte a razão, esquecendo que o equador, com maior velocidade inicial, precisa de menor impulso.
Por que as outras alternativas estão erradas
- AInverte a razão, colocando o impulso do equador maior que o da latitude 60°, o que contraria o ganho da rotação.
- CValor muito baixo, que ignora que a velocidade de rotação é desprezível frente à de escape.
- DExigiria uma contribuição da rotação muito maior do que os cerca de 465 m/s reais.
- EValor incompatível: a rotação reduz o impulso em apenas cerca de 4%, não em 30%.
Assuntos: impulso e quantidade de movimento, velocidade de escape, rotação da Terra.
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Fonte: ITA 2024 · 1ª fase. Prova oficial ↗