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Fundamentos de Mecânica Orbital II
Fundamentos de Mecânica Orbital II
Fundamentos de Mecânica Orbital II
MECÂNICA ORBITAL II
Conceitos & Atividades para a Educação
Básica
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Introdução
Esse guia apresenta informações, conceitos, definições e atividades didáticas sobre satélites artificiais: história,
aplicações, órbitas, lançamento e rastreio. Na sala de aula, o professor pode utilizar esse guia parcial ou integralmente,
auxiliando os alunos a visualizarem na prática da exploração espacial conteúdos como Leis de Kepler, elementos
orbitais clássicos, Lei da Gravitação Universal e coordenadas geográficas. O material se encontra dividido em dois
blocos principais, a saber: (I) Informações Teóricas; e (II) Atividades Didáticas. Esse guia pretende oferecer um
conjunto de atividades didáticas que possam ser selecionadas, combinadas, adaptadas, resumidas – a fim de serem
abordadas em uma ou mais aulas, de forma integrada a diferentes componentes curriculares – conforme os
conhecimentos prévios, necessidades e interesses dos alunos; recursos da escola; e planejamento do professor.
Na primeira parte de nosso curso de Mecânica Orbital, viajamos para a época dos cientistas Kepler, Brahe e Newton,
para entender os princípios que regem o movimento dos planetas em torno do Sol, bem como a Lei da Gravitação
Universal. Entendemos por que a Lua não cai sobre a nossa cabeça e por que não caímos em direção ao espaço exterior.
Agora, vamos nos aventurar um pouco mais nesse fantástico universo das viagens espaciais, para aprender sobre os
satélites artificiais, suas aplicações e benefícios, suas órbitas e seu rastreio, dentre outras informações.
Agora viajaremos ao mundo dos satélites artificiais e suas aplicações. E por que satélite “artificial”? Porque o único
satélite natural que orbita nosso planeta é a Lua. Alguns planetas do sistema solar também possuem satélites naturais
que, eu seu balé espacial, fazem companhia aos planetas na vastidão do oceano cósmico. Esse é o caso, por exemplo, de
Marte, Júpiter e Saturno – o último, além de satélites, possui magníficos anéis compostos de gelo, poeira e fragmentos
rochosos cujos tamanhos podem ser até o de uma montanha. Mas... quando nos referimos a artefatos construídos pelo
ser humano, estamos falando de satélites artificiais. Na prática, todos os veículos espaciais, tripulados ou não, podem
ser denominados satélites artificiais. Exemplos de veículos tripulados são os ônibus espaciais e as naves russas Soyuz,
que levam astronautas à Estação Espacial Internacional e para outras missões; as antigas naves Apollo, que levaram os
primeiros seres humanos à Lua e a Vostok, que levou os primeiros cosmonautas (russos) ao espaço. Já no que se refere a
veículos não tripulados, temos satélites artificiais, que nos oferecem informações sobre condições meteorológicas;
sensoriamento remoto; telecomunicações, dentre outras. Nessa categoria, também se inserem as sondas que têm
estudado planetas do sistema solar, exoplanetas, asteroides, planetas anões, estrelas, cometas e a Lua.
Outro exemplo de satélite artificial são os telescópios espaciais tais como o pioneiro Hubble que ampliou os horizontes
da Astronomia, no que se refere ao estudo de diversos corpos celestes, galáxias, nebulosas, dentre outros. Confira aqui
uma matéria realizada por ocasião dos 20 anos do telescópio. Há um número crescente de nações empenhadas em
vasculhar o universo por meio de veículos espaciais construídos no âmbito de suas agências espaciais, em parceria com
outros países. Por meio do estudo do espaço estamos avançando no conhecimento de características e recursos da
superfície de outros planetas e satélites no sistema solar, na identificação e estudo de planetas em outros sistemas
planetários, no estudo da composição e evolução do universo, bem como buscando fontes mais baratas de propelentes
para viabilizar futuras viagens espaciais – interplanetárias e interestelares – tripuladas ou não.
1. Fundamentos
Aqui apresentaremos conceitos que ajudarão a compreender elementos importantes de uma viagem espacial. Nosso foco
são as missões não tripuladas ou robóticas, embora diversos conceitos também se apliquem a missões que envolvem o
envio de astronautas. Veremos a forma de inserir um satélite na órbita da Terra, os tipos mais comuns de órbitas de
satélites, bem como noções de rastreio e controle. Notaremos, por exemplo, que o tipo de órbita se relaciona com a
aplicação do satélite – comunicação, sensoriamento remoto, navegação, dentre outros.
Os satélites espaciais abriram caminho para todos os da Terra, o conhecimento teórico para realizar tal intento
demais artefatos construídos pelo ser humano cruzarem as já se encontrava disponível desde o século XVII. Sim,
fronteiras da atmosfera terrestre. Eles foram os pioneiros combinando as leis de Kepler com a física newtoniana, o
da chamada Era Espacial, que teve início em 4 de outubro conceito de um satélite artificial surgiu já em 1687. Isaac
de 1957, com o lançamento do primeiro satélite artificial à Newton afirmava que um objeto acelerado a certa
órbita da Terra! Mas, você sabia que desde há muito velocidade poderia se mover livremente ao redor da Terra
tempo a humanidade sonhava em chegar ao espaço? E ao longo de um círculo fechado, ou órbita. “Ao aumentar a
você sabia que desde tempos antigos havia pessoas velocidade (de um projétil)... ele pode nunca cair na Terra,
determinadas a inventar geringonças e aplicar ideias mas seguir em frente nos espaços celestes em seu
bizarras para chegar ao espaço? Algumas lendas movimento infinitamente”, previu o cientista.
mitológicas, como o célebre sonho de Ícaro, encontram-se
repletas de episódios relacionados à conquista dos céus –
o que talvez se deva a esse fascínio da humanidade por
explorar o desconhecido, a exemplo da época das grandes
navegações (entre os séculos XV e XVII), que ampliou
nosso mapa múndi. O mais antigo documento referente à
primitiva concepção de Astronáutica é datado de mais de
5 mil anos e descreve a façanha do Rei Etam, que teria
supostamente ascendido aos céus. Existe outra história
que conta que um cidadão na China Antiga teria
supostamente tentado ascender ao espaço amarrando
diversos foguetes a uma cadeira. Depois, ele teria pedido a
seus assistentes para acender os foguetes e... Buum!
Depois disso, ninguém mais teve notícias do bravo
chinês... Há histórias curiosas ao longo dos séculos de
pessoas que tentaram subir aos céus sem os recursos
necessários... A ficção científica é outra expressão do
imaginário popular, desde há muito tempo repleto de
histórias relacionadas à exploração espacial por meio de
geringonças tripuladas. Assim, vários cientistas e
escritores, ao longo da história, trataram de uma hipotética
viagem à Lua. Dentre estes, o poeta italiano Ludovico
Ariosto (1474-1533), em Orlando Furioso; Kepler, em
Sonho Astronômico; o bispo inglês Francis Godwin (1562-
1633), em O Homem na Lua; o clérigo inglês John
Wilkins (1614-1672), em O Mundo da Lua; o escritor
britânico H.G. Wells (1866-1946), em Os Primeiros
Homens na Lua e o célebre escritor francês Júlio Verne Fig. 2 – A obra de Júlio Verne previa a aventura de seres humanos
que construíram um aparato para chegar à Lua. Fonte: Linux Planet
(1828-1905), em Da Terra à Lua e A Roda da Lua. Blogs, http://www.linuxplanet.org/blogs/
Algumas dessas obras inspiraram aqueles que viriam a ser
os pioneiros da propulsão moderna, graças aos quais
A solução para esse problema de como colocar um
aprendemos a colocar artefatos no espaço.
artefato na órbita terrestre viria a ser os foguetes. Eles
permitiriam que o sonho da exploração espacial se
Embora somente na segunda metade do século XX
materializasse. As raízes da foguetaria remontam à época
alcançamos o desenvolvimento tecnológico suficiente para
da invenção da pólvora na China, por volta do século X
colocar um objeto construído pelo ser humano na órbita
depois de Cristo. Entretanto, foi somente no século XX, Três nomes merecem especial destaque. Todos eles foram
que a humanidade enviou seus primeiros satélites ao influenciados pela ficção científica. Na ex-URSS, surgiu
espaço graças ao desenvolvimento de foguetes potentes, um professor chamado Konstantin E. Tsiolkivsky (1857-
capazes de atravessar a órbita terrestre e colocar cargas em 1935), que delineou os princípios da propulsão utilizados
órbita da Terra. Mas esse avanço tecnológico não ocorreu em voos espaciais. Ele é considerado o pai da
por acaso. Ele foi em grande extensão um subproduto das Astronáutica. Para ele, a jornada ao cosmos não era uma
tecnologias desenvolvidas durante a Segunda Guerra questão de desbravamento apenas, mas de ocupação
Mundial. Durante esse período, por exemplo, foi definitiva. Nos Estados Unidos, foi o professor
desenvolvido o míssil balístico V2, pelo cientista alemão universitário Robert H. Goddard (1882-1945) que, além de
Wernher Von Braun (1912-1977). Com o final da guerra, o chegar às mesmas conclusões teóricas que seu colega
mundo ficou polarizado entre a ex-União Soviética e os russo, testou e fez voar seus próprios foguetes. Goddard
Estados Unidos. As outras nações se dividiam e os dois foi ridicularizado por afirmar que acreditava que os
países lutavam por maior influência no cenário mundial. foguetes poderiam levar seres humanos à Lua. Entretanto,
Foi nesse contexto que emergiu a chamada guerra fria com a corrida espacial, suas ideias começaram a ser
entre Estados Unidos e ex-União Soviética. Uma das valorizadas e ele passou a ser apoiado pelo governo dos
principais marcas desse período foi a denominada “corrida Estados Unidos. Atualmente, Goddard é considerado o pai
espacial” entre esses dois países. Vejamos alguns da propulsão moderna. Já o alemão Hermann Oberth
elementos que possibilitaram essa jornada. (1894-1989), após ler as obras de Julio Verne, determinou-
se a encontrar um caminho para viabilizar as viagens
Nada teria sido possível sem o desenvolvimento de espaciais. Ele chegou às mesmas conclusões de
foguetes capazes de carregar artefatos para além da Tsiolkovsky e Goddard, de forma independente. A
atmosfera terrestre. Não foram grandes cientistas em diferença é que ele conseguiu publicar suas ideias. Em
laboratórios sofisticados que desenvolveram os primeiros 1929, publicou “O Foguete no Espaço Interplanetário”,
foguetes que levariam a esse progresso. Foram estudiosos livro que influenciou o mundo, dando ciência de que os
trabalhando de forma independente em diferentes países, foguetes eram assunto sério. Oberth foi também professor
no início do século XX, que chegaram a conclusões bem de Von Braun, trazendo-o ao programa alemão de
semelhantes quanto aos primeiros trabalhos de foguetaria foguetes. Dos três pioneiros, Oberth foi o único que viveu
ou propulsão. A combinação dos resultados teóricos e para ver o homem chegar ao espaço e à superfície da Lua.
práticos do trabalho desses pioneiros lançou as bases para Von Braun, por sua vez, foi o responsável pelo Programa
o início da Era Espacial, possibilitando o envio de Apollo, que levou os primeiros seres humanos à superfície
veículos espaciais tripulados e não-tripulados ao espaço. de outro corpo celeste.
Galileu foi a primeira pessoa a empregar a palavra latina Telstar I (1962), EUA, o primeiro satélite de
satelles para descrever as luas de Júpiter. A origem dessa comunicações a transmitir imagens televisivas.
palavra é interessante. Satelles significa servo, guarda ou Ele carregou também um experimento para medir
atendente de um mestre poderoso ou senhor na Roma elétrons e prótons energéticos situados no então
Antiga. Então, um satelles circulava a cidade para atender recém descoberto Cinturão de Van Allen.
as ordens de seu mestre e para oferecer proteção à casa
que servia. Hoje, podemos dizer que os satélites artificiais
são os guardiões de nosso bem-estar, oferecendo serviços
diversos como telecomunicações, posicionamento,
mapeamento e monitoramento de florestas.
Mas... como fazemos para colocar um satélite em órbita? Mas... onde mesmo começa o espaço exterior? É
Em outras palavras, como fazemos para vencer a interessante notar que não existe uma fronteira bem
resistência da atmosfera e a força gravitacional do nosso definida entre o fim da atmosfera terrestre e o início do
planeta, colocando-o na órbita para a qual foi projetado. espaço. Entretanto, para fins de convenção, a Federação
Sim, pois não basta colocar o objeto em órbita. É preciso Astronáutica Internacional (http://www.iafastro.com/)
inserir na órbita correta. Vimos acima que há diversos estabeleceu a chamada linha Karman, situada a 100 km da
tipos de órbita. Assim, um satélite de sensoriamento superfície terrestre. Teoricamente, aí começaria o espaço
remoto deve ficar em órbita em uma determinada altitude. exterior. Entretanto, há outras convenções que colocam
Se ele fosse lançado para uma órbita geoestacionária, por essa fronteira acima e abaixo dessa linha. Por exemplo, o
exemplo, seria de pouca ou nenhuma utilidade. centro de controle de missões da NASA, estabelece 122
km como sua altitude de reentrada (o retorno do veículo
Iniciemos pelo primeiro desafio, qual seja, fazer com que espacial à superfície terrestre, sua entrada na atmosfera ao
o artefato atravesse a atmosfera e vença a força término da missão), que marca aproximadamente a
gravitacional da Terra. Como fazer para que um objeto fronteira onde começa-se a sentir o “puxão” da atmosfera.
passe a circular a Terra de forma permanente, sem cair? Acima dessa fronteira imaginária que separa a atmosfera
terrestre do espaço exterior, um veículo espacial precisaria
viajar a uma velocidade orbital mínima para obter empuxo montanhas, muito menos por meio de canhões. Eles são
aerodinâmico suficiente para se manter em órbita sem ser lançados por meio de veículos lançadores a partir de
“puxado” pela atmosfera da Terra. A velocidade orbital plataformas de lançamento situadas em determinados
mínima para que um artefato permaneça em órbita da pontos da superfície terrestre, envolvendo operações
Terra é 8 km/s. caríssimas e complexas; ou podem ser colocados em
órbita a bordo de naves espaciais como os ônibus
Bom – sabemos que veículos espaciais não são lançados espaciais. Os veículos lançadores basicamente são
do alto de montanhas, muito menos por canhões. Eles são foguetes que carregam quantidades de combustível
lançados por meio de veículos lançadores a partir deBom (também chamados propelentes) que devem “queimar” até
– sabemos que satélites não são lançados do alto de que a carga útil (aquela que ficará no espaço) seja
colocada em órbita.
Fig. 17 – Veículos lançadores. Diversas famílias de veículos lançadores. É geralmente por meio desses veículos que os satélites e sondas espaciais
são colocados em órbita. Outra alternativa é levar o satélite a bordo de uma nave espacial tripulada para ser então colocado em órbita. Crédito da
imagem: Apresentação da Universidade Internacional do Espaço (original: “International Space University” – ISU, http://www.isunet.edu/)
Um satélite artificial funciona através de sinais que são Simulador dos satélites GPS e GLONASS:
emitidos na sua direção. Ao receber tais sinais ele os http://portaldoprofessor.mec.gov.br/buscarMateriais.html?
amplifica, converte e os reenvia através da cadeia busca=sat%C3%A9lite&categoria=&x=0&y=0
emissora do satélite, cujos sinais são destinados a todas as
estações que estejam operando com o mesmo sinal
radioelétrico do satélite.
Confira alguns recursos do Portal do Professor que Você sabia?
Toda pessoa que viaja em uma altitude
ilustram esse assunto:
acima de 80 km é chamada “astronauta”.
Assim, todo turista espacial é um astronauta.
Simulações:
A diferença é que o “astronauta
Posibles trayectorias de un satélite terrestre alrededor del profissional”, como os da NASA, passam
Sol [Sistemas de referencia] por treinamentos longos e rigorosos e têm
http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html? missões a cumprir, designadas por suas
id=22453 respectivas agências espaciais nacionais.
1.6. Rastreando satélites
Na primeira parte de nosso curso, estudamos os elementos tem latitude zero grau, o polo norte 90 graus latitude
orbitais clássicos. Eles nos ajudam a melhor entender e norte, e o polo sul 90 graus latitude sul.
visualizar o que compõe a trajetória de um satélite ao
Longitude: mede quanto um objeto se situa a leste ou
redor de um corpo celeste como a Terra. No entanto,
oeste em relação a uma linha imaginária que vai do polo
vimos aqueles elementos de forma estática. Mas sabemos
norte ao polo sul em relação a Greenwich, na Inglaterra
que a Terra gira e o satélite também gira em torno da Terra
(ou primeiro meridiano). A longitude varia de 0 graus a
o tempo todo. Em toda missão, há a necessidade de saber
180 graus a oeste e a leste.
a exata posição e trajetória de um satélite, a todo instante.
Assim, caso o satélite venha a se desviar de sua rota por − representações de rastreio parecem um mapa que
fatores como atmosfera ou força gravitacional do Sol, permite ver o mundo em um retângulo (Projeção
Terra e Lua, o centro de controle de missão pode enviar de Mercator);
comandos para que propulsores a bordo façam as devidas
manobras corretivas a fim de que ele volta à trajetória para − a projeção da órbita do veículo espacial é
a qual foi projetado. apresentada em um mapa bidimensional;
O serviço de rastreio de um satélite nos permite observar − se a Terra não tivesse movimento de rotação, esse
sobre qual região na superfície da Terra o satélite passará rastreio de órbita se repetiria continuamente. Mas
em um determinado momento em sua órbita ao redor da a Terra gira enquanto a nave orbita o planeta.
Terra. Ele mostra sua localização durante sua órbita ao
redor das Terra. Esse rastreio mostra o chamado grande
círculo descrito pelo satélite ao redor da Terra. Esse
círculo corta o centro da Terra. Todas as representações de
rastreio utilizam o sistema latitude/longitude. Em outras
palavras, esse círculo é projeção da órbita do satélite sobre
a superfície da Terra. Quando projetado sobre o globo
terrestre, em sua forma esférica, essa trajetória assumirá
sempre uma forma circular.
Fig. 20 – a Terra gira enquanto a nave
se desloca em sua órbita. Fonte: Site
EarthKAM NASA,
https://earthkam.ucsd.edu/
Você sabia?
Os efeitos da atividade solar podem desviar
satélites de suas órbitas. Quando a atmosfera da
Terra é aquecida pelo aumento da atividade
solar, a atmosfera se expande rumo ao espaço e
a densidade do ar aumenta. Essa expansão faz
Fig. 22 – Representação de quatro órbitas com o mesmo período. com que moléculas de hidrogênio e oxigênio
Embora elas tenham o mesmo período orbital, cada uma tem uma
inclinação. Crédito da imagem: Site EarthKAM NASA sejam movidas para cima, de modo que a
https://earthkam.ucsd.edu/ densidade do ar aumenta. Os efeitos desse
aumento na densidade do ar para a órbita de um
satélite são significativos, particularmente se
Campo de visão é o ângulo que descreve a quantidade da isso for somado a uma tempestade magnética,
superfície da Terra que um veículo espacial pode observar os satélites em órbita baixa podem ser
em determinado intervalo de tempo. Quanto mais alto o desviados de suas órbitas. Nesses casos, as
satélite se encontrar em relação à superfície da Terra, mais órbitas mudam tão rápido que rapidamente
ele pode observar. Em outras palavras, maior seu campo aqueles responsáveis pelo seu rastreio e controle
de visão. não conseguem detectá-los. A vantagem desses
eventos é que eles desintegram muita “sucata”
No Brasil, o INPE possui um Centro de Rastreio e espacial em órbita baixa. Mais de 90 por cento
Controle de Satélites (CRC), composto por instalações, desses objetos são desintegrados, e o restante,
sistemas e pessoas dedicado, primordialmente, à operação em sua maioria, caem nos oceanos, que cobrem
em órbita dos satélites do INPE, além de prestar serviços a 75 por cento da superfície terrestre.
terceiros. O Centro é composto pelo Centro de Controle de
Satélites (CCS) em São José dos Campos (SP), pela
ATIVIDADES DIDÁTICAS
Explorando a Dinâmica dos Satélites Artificiais
Introdução
A discussão sobre satélites artificiais ajudou a contextualizar conceitos como as Leis de Kepler, a Lei da Gravitação
Universal, o sistema longitude/latitude para o rastreio de satélites, além de informar sobre tecnologias de satélite
presentes no cotidiano, tal como o sistema de posicionamento global – GPS. Além disso, exploramos o universo de
satélites artificiais internacionais e brasileiros e suas variadas aplicações, tais como a meteorologia, o sensoriamento
remoto e as telecomunicações. Na sequência, apresentaremos atividades didáticas que promovem o trabalho em equipe,
o pensamento crítico, a aplicação do método científico, a utilização de Tecnologias da Informação e Comunicação
(TICs), de mídias e conteúdos digitais, de pesquisa e observação do céu, como elementos essenciais da educação
científico-tecnológica e da formação humana integral para a cidadania brasileira e planetária.
1. Objetivos de aprendizagem
Apresentamos atividades didáticas que exploram temas como a história dos satélites artificiais, suas aplicações e tipos
de órbita, satélites brasileiros, inserção de satélites em órbita e operações de rastreio. Ao término das atividades, os
alunos deverão ser capazes de:
2. Conteúdos envolvidos
3. Atividades didáticas
Pretendemos que as atividades didáticas propostas sejam abordadas de forma integrada ao currículo escolar. Sugerimos
ao professor a seguinte sequência mas, para que as explanações propostas se tornem mais motivadoras, o professor pode
exibir os vídeos sugeridos no início de cada aula teórica. Na medida do possível, as atividades práticas ou oficinas
devem ser realizadas ao final das aulas teóricas. Entretanto, caso não haja tempo, elas podem ser realizadas na aula
seguinte, para consolidar os conteúdos trabalhados. As atividades propostas no laboratório de informática têm por
objetivo facilitar a visualização dos conteúdos abordados, uma vez que as ciências do espaço são bastante visuais – em
outras palavras, muitas vezes é mais efetivo exibir um vídeo mostrando uma órbita polar que apenas fornecer uma
explicação teórica sobre o que caracteriza esse tipo de órbita.
ATIVIDADE 01 – Apresentação de vídeos e debate sobre satélites artificiais
Em sala de aula ou no laboratório de informática, com o apoio de um projetor para exibir vídeos da internet, discutir
com os alunos o contexto de desenvolvimento dos primeiros satélites artificiais, a guerra fria entre os Estados Unidos e
a ex-União Soviética, as motivações iniciais para a exploração espacial advinda da Segunda Guerra Mundial, o papel da
ficção científica e o papel dos precursores da propulsão moderna. Esses debates podem ser feitos de forma intercalada à
exibição de vídeos sobre esses temas diversos, conforme sugestões desse guia. Algumas perguntas que os professores
podem utilizar:
Vocês já viram um satélite artificial no céu? Eles podem ser vistos logo no início da noite ou antes do
nascente e, diferente de aviões, não piscam. Exemplos são a Estação Espacial Internacional e o Telescópio
Espacial Hubble. Confira esse vídeo que mostra a passagem da Estação sobre a cidade de Rancharia/SP
<http://www.youtube.com/watch?v=XfVUoL4Hvdk>. Para um observador desavisado, o objeto pode ser
confundido com um objeto voador não identificado!
Quando foi enviado o primeiro satélite artificial ao espaço? Em 4 de outubro de 1957, pela ex-União
Soviética.
Que papel teve a ficção científica no desenvolvimento dos primeiros foguetes com finalidades de
exploração espacial? Ela inspirou os precursores da propulsão moderna, que acreditaram ser possível
atingir o espaço exterior por meio de foguetes. Confira esse vídeo da Agência Espacial Europeia sobre a
ficção científica e seu papel propulsor do desenvolvimento tecnológico <http://www.youtube.com/watch?
v=m8lMqoPjf-k>.
Por que os satélites artificiais não caem na Terra? Porque a velocidade (chamada velocidade orbital)
com que eles circulam o planeta compensa a atração gravitacional e o “arrasto” da atmosfera.
Onde começa o espaço exterior? Apesar de não haver consenso, há uma chamada linha Karman, há 100
km de altitude a partir da superfície terrestre. O espaço exterior começaria a partir dessa linha. Confirma
esse vídeo que explica brevemente as camadas atmosféricas e o início do espaço exterior
<http://www.youtube.com/watch?v=HlP6a1Z_AnU>.
O Brasil possui satélites artificiais? Qual a importância desses satélites para o desenvolvimento
nacional? Sim, o Brasil possui três satélites de sensoriamento remoto, o CBERS-1, CBERS-2 e CBERS
2B. Há ainda os chamados Satélites de Coleta de Dados – SCD. Está previsto o lançamento nos próximos
anos dos satélites CBERS-3 e CBERS-4. A tecnologia de satélites é fundamental para um país de
dimensões continentais e com tantas riquezas naturais como o Brasil. O domínio de tecnologia própria
nessa área garante maior soberania ao país no monitoramento de seu próprio território, além de dispensar
o governo brasileiro de precisar pagar por esses serviços caros a nações estrangeiras. Confira parte do
discurso da Presidenta sobre a parceria Brasil-China para desenvolvimento dos satélites CBERS e seus
benefícios <http://www.youtube.com/watch?v=ICjMYSinAUs>.
Todos os satélites orbitam na mesma altitude e têm o mesmo tipo de órbita? Não. Existem diferentes tipos
de órbitas, com distintas inclinações e a diferentes altitudes em relação à superfície terrestre. Alguns
satélites descrevem órbitas elípticas e outros, circulares. As órbitas são selecionadas de acordo com a
aplicação do satélite. Assim, um satélite de sensoriamento remoto precisa captar detalhes da superfície de
forma contínua e, por isso, deve ser posicionado em uma órbita polar, para “varrer” toda a superfície em
24 horas. Por outro lado, se o objetivo for ofertar serviços de telecomunicações, ele deve ser colocado em
uma órbita bem mais alta, a 36.000 km de altitude, e posicionados sobre a linha do equador.
Na sequência, o professor pode aprofundar a explanação sobre os tipos de órbita e as aplicações dos satélites artificiais,
a partir de informações presentes neste guia e em outras fontes. Os alunos observação na prática conceitos como Leis de
Kepler e Lei da Gravitação Universal de Isaac Newton, agora
aplicadas a um satélite artificial. Por exemplo, os alunos notarão Você Sabia?
que algumas órbitas de satélites artificiais são circulares e outras A peça de lixo espacial mais antiga em órbita da
são extremamente elípticas. O professor pode exibir alguns Terra é o satélite norte-americano Vanguard I,
vídeos disponíveis nesse guia para ilustras as diferentes órbitas no espaço desde 1958. Há mais de 10 mil
dos diversos tipos de satélites. Explique que os satélites podem satélites artificiais em órbita da Terra
sofrer pequenos desvios em sua trajetória ao redor da Terra, que atualmente, sendo o maior deles a Estação
se devem à combinação da força de atração gravitacional do Sol, Espacial Internacional, com 73m de
da Terra e da Lua. Quando isso ocorre, o satélite recebe comprimento, 336m de largura, orbitando a
comandos da Terra e aciona retrofoguetes para que se posicione Terra a uma altitude de 350 quilômetros.
novamente na órbita correta. O professor pode compartilhar
informações sobre satélites brasileiros, suas aplicações e importância para o desenvolvimento nacional. Essas
informações são relevantes para a formação de cidadãos conscientes dos recursos do País e das possibilidades de
desenvolvimento oriundas da exploração pacífica do espaço, assim entendendo o Brasil como um país com destaque no
que se refere à exploração espacial. O Brasil possui um dos centros de lançamento mais bem localizados do mundo, que
pode ser utilizado não somente para lançar em futuro próximo o primeiro veículo lançador de satélites do Brasil,
previsto para 2013, mas também veículos de outras nações, assim gerando riquezas para o Brasil.
O professor pode exibir vídeos sobre como um satélite artificial é colocado em órbita. Para iniciar, mostre o vídeo que
trata do experimento hipotético de Newton lançando projéteis do alto de uma montanha. Os alunos aprendem que o
satélite precisa ser lançado em um determinado ângulo, que ele precisa atingir uma determinada velocidade para entrar
em órbita e que existe uma velocidade mínima para que um artefato permaneça em órbita da Terra. Descobrem também
que, dependendo da velocidade e ângulo de lançamento, a órbita pode ser circular ou elíptica e que existe um caso em
que o artefato simplesmente parte para uma trajetória rumo ao infinito, não entrando em órbita – a menos que venha a
ser capturado pela força gravitacional de outro corpo celeste próximo ao qual vier a passar. O professor pode explicar
ainda que um satélite é controlado na Terra, que envia e recebe seus sinais. Além das informações específicas da missão
– meteorologia, sensoriamento remoto, dentre outras - o satélite envia informações sobre sua posição, velocidade,
atitude – e o centro de controle pode solicitar que o satélite acione retrofoguetes para corrigir órbita, atitude, velocidade,
dentre outros elementos. O professor também pode explicar que todos os satélites possuem um computador de bordo,
sistema de geração de energia (tais como painéis solares e baterias), e que todos eles precisam ser rastreados da Terra.
Há vídeos disponíveis nesse guia sobre como esse rastreio é realizado, abordando o sistema de coordenadas
latitude/longitude, essenciais para o serviço de rastreio de satélites.
Duração: 40 minutos.
Estratégia: Em duplas, os alunos exploram um conjunto de sites a serem indicados pelo professor. Durante a atividade,
eles devem manter registro acerca das descobertas que fazem no site em um arquivo no word, anotando as fontes (sites
da internet), para posterior consulta. Durante essa atividade, os alunos exploram alguns sites da internet a fim de
consolidar e expandir os conhecimentos adquiridos durante as abordagens anteriores. Vejamos alguns sites que o
professor pode indicar para essa finalidade:
Vídeos:
Catálogo:
Simuladores:
Confira esse artigo, que apresenta um experimento sobre como girar um satélite artificial. Materiais de baixo custo
como balde e latinhas de refrigerante são necessárias. O artigo aborda também diversos conceitos relacionados a
satélites artificiais e sua dinâmica.
ATIVIDADE 06 – Questionário
A fim de fixar os conteúdos trabalhados, o professor aplica um questionário para que os alunos respondam
individualmente, utilizando como fontes de consulta o livro didático, esse material, vídeos, os conteúdos discutidos nas
aulas anteriores, bem como outras fontes confiáveis consultadas na internet. Algumas perguntas sugeridas:
1. Descreva o problema do lixo espacial. Agora, pesquise na internet algumas possibilidades para solucioná-lo.
2. Como surgiram os primeiros satélites artificiais? Em que período da história e por quê?
3. Como foi descoberto o Cinturão de Van Allen? Pesquise na internet sobre o que é esse cinturão.
4. Pesquise na internet sobre os pioneiros da propulsão moderna, citando suas principais contribuições para o
início da Era Espacial.
5. Desenhe a órbita de três tipos de satélites (Ex.: meteorológicos, comunicações) e cite nomes de satélites como
exemplos.
6. Por que os satélites não caem em direção à Terra? O que é velocidade orbital?
7. Cite exemplos de satélites brasileiros e suas contribuições para o desenvolvimento nacional.
8. Cite alguns exemplos de sistemas que todo satélite possui para funcionar.
9. Como funcionam os satélites de posicionamento global (GPS)?
10. Descreva como um satélite artificial é inserido na órbita terrestre.
11. O que é uma “janela de lançamento”?
12. Por que a base de Alcântara, no Maranhão, é privilegiada para o lançamento de veículos ao espaço, em
comparação com outras bases tais como o Cabo Kennedy, nos Estados Unidos?
13. Descreva com suas palavras como um satélite é rastreado em órbita e por que o sistema de coordenadas
geográficas (latitude/longitude) é utilizado.
O professor pode imprimir a primeira parte desse guia para que os alunos utilizem para responder esse questionário,
além de levá-los ao laboratório de informática para que eles pesquisem fontes complementares. O trabalho pode ser
feito individualmente ou em duplas.
Nada melhor para despertar o interesse e a curiosidade dos alunos pelos mistérios do cosmos e pela ciência que uma
observação do céu noturno. Essa atividade desafia o aluno a identificar satélites artificiais no espaço.
A) Informações Básicas
Ao observar o céu em uma noite estrelada, podemos encontrar diversos objetos. Estrelas são aqueles corpos celestes que
cintilam. A Lua, por seu brilho é inconfundível no céu. Os planetas, embora pareçam ter brilho próprio, são na verdade
iluminados pela luz do Sol. Uma característica que permite que eles pareçam diferentes das estrelas no céu noturno é
que eles não cintilam. Os aviões piscam luzes quando passam pelo céu. Claro, podem ocorrem estrelas cadentes
(meteoros que se desintegram antes de atingir a superfície terrestre) e, finalmente, cometas – que apresentam uma cauda
(gerada por gases dissolvidos quando sua órbita se aproxima do Sol). Mas... como identificar um satélite artificial em
meio a tantos corpos celestes? Em primeiro lugar, o professor pode sugerir que os alunos providenciem um mapa do
céu, que permitirá que eles identifiquem os pontos cardeais e algumas constelações. Para conseguir um mapa do céu
grátis, basta acessar o site www.zenite.nu/02/8-ceu.php. Na página, selecione sua localidade em “Cidades do Brasil” e
clique em “Gerar Mapa”. E pronto! Basta imprimir a página.
Mas.... como identificar um satélite artificial em meio a tantos objetos no céu. Há alguns elementos que ajudam a
distinguir um satélite artificial de outros objetos celestes.
Fig. 24 – Estação Espacial Internacional. Em 2011, os ônibus espaciais foram aposentados. Eles foram
fundamentais para levar as várias partes da Estação Espacial Internacional, onde diversas pesquisas
científicas são realizadas. A Estação é o satélite artificial mais facilmente observável no céu noturno.
Crédito da imagem: NASA
B) Procedimentos
1. Leve os alunos ao laboratório de informática para que, em duplas, explorem o site Heavens Above
(http://www.heavens-above.com/). Note que o site se encontra em língua inglesa. Por isso, compartilhe com os alunos os
passos que se seguem.
− Digamos que você queira observar a Estação Espacial Internacional às 18:53 do dia 12 de setembro de 2011.
Note na tabela que “Starts” indica o início do período em que a Estação estará visível (18:53) e “Ends” indica
o final do período de visibilidade (18:58). Se você clicar em “12 Sep”, horário de início da observação 18:53,
será gerado o seguinte mapa:
Note que o mapa apresenta os pontos cardeais em inglês, e a linha contendo a seta vermelha mostra a rota da Estação
Espacial no céu noturno. Observe que a trajetória da Estação (oeste para leste) é contrária à das estrelas e planetas (leste
pare oeste). Durante a observação, é preciso que você segure o mapa sobre sua cabeça para que os pontos cardeais
fiquem na posição correta.
− Agora, se você clicar em “Click here”, abaixo de “Ground Track” (figura acima), você poderá verificar na
superfície terrestre a região de visibilidade da Estação Espacial (abaixo), bem como os respectivos horários.
Há outros satélites que podem ser observados com a ajuda do Heavens Above. Por exemplo, se você clicar em “HST”,
conseguirá informações para observar o Telescópio Espacial Hubble.
4. Instrua os alunos para que, após a observação, escrevam um relatório ilustrado do procedimento que
adotaram para realizar a observação. Esse documento pode ser estruturado da seguinte forma:
− Introdução;
− Procedimento observacional (metodologia);
− Resultados alcançados (relatar a observação, dificuldades encontradas, etc.);
− Conclusão.
Opcionalmente, o aluno pode escrever uma história ilustrada, como se estivesse explicando para uma criança
como se deve observar um satélite artificial no espaço. Nesse caso, a linguagem pode ser mais acessível (menos
técnica), mas o texto deve ser criativo e a linguagem utilizada deve ser agradável. Vale também ilustrar a
história com desenhos, pinturas e/ou figuras recortadas.
A seguir, os alunos realizam pesquisa na biblioteca e na internet sobre esses tipos de satélites. O professor reserva o
intervalo de uma aula para que eles então se reúnam em equipes com as informações coletadas e, utilizando o telefone
celular ou outra mídia com capacidade para gravar vídeos, produzem um vídeo explicando em cinco minutos aquele tipo
de satélite. Os alunos podem incluir animações e/ou montar uma maquete/ilustração com materiais de baixo custo como
isopor e papelão, para ilustrar o tipo de satélite e de órbita. O professor deve estimular os alunos a, sempre que possível,
apresentar exemplos de satélites brasileiros.
AVALIAÇÃO
A aprendizagem poderá ser avaliada com base em participação nas atividades propostas. O aluno deve demonstrar
entender o que é um satélite artificial, o contexto histórico do desenvolvimento dos primeiros satélites artificiais, quais
os principais tipos de satélite artificial e suas respectivas órbitas, as forças que mantêm um satélite em órbita da Terra, o
que é velocidade orbital, os satélites brasileiros, inserção orbital de um satélite artificial e o funcionamento de seu
sistema de rastreio. Alguns elementos que podem ser considerados:
− Participação em debates;
− Oficina do giro do satélite;
− Atividade mão na massa – produção de vídeos;
− Relatório observacional de um satélite artificial no céu noturno;
− Respostas ao questionário;
− Participação em outras atividades que o professor considerar pertinentes.
Referências
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de Ação e Reação. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 28, n.3 (2006). Disponível em:
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