Física

APOSTILA O.B.A.

ESTRUTURA DO SISTEMA SOLAR

Antes de se chegar a um melhor entendimento a respeito do sistema solar, muitos modelos foram propostos para explicar as observações que se realizavam e apresentar uma teoria que reproduzisse o movimento dos astros. Cada modelo propunha uma estrutura diferente para o sistema solar e veremos aqui apenas os que foram mais aceitos durante um certo tempo.

SISTEMA GEOCÊNTRICO

O modelo que predominou por mais tempo foi o Sistema Geocêntrico, com a Terra ocupando o centro do Universo, e tudo o mais girando ao seu redor. Esse sistema foi idealizado por Ptolomeu no século II d.C. a partir da observação do movimento diário dos astros, e este modelo foi usado até o século XVI. Admitindo-se que, quanto mais distante da Terra estivesse o astro, mais tempo levaria para dar uma volta em torno dela, estabeleceu-se a seguinte ordem de colocação: Terra, Lua, Mercúrio, Vênus, Sol, Marte, Júpiter e Saturno. As estrelas estariam englobando tudo.

Apesar de razoável, esse modelo apresentava alguns inconvenientes: na época acreditava-se que o céu era um local perfeito, e portanto os astros deveriam realizar movimentos perfeitos. No entanto, entre as estrelas fixas, as quais realmente realizavam movimentos bastante uniformes, encontravam-se 7 astros que fugiam completamente dessa regra: eram os chamados Astros Errantes (planetas). Neste caso, o Sol e a Lua também eram chamados de planetas.

O movimento retrógrado (de leste para oeste) apresentado pelos planetas superiores ocorre quando estão próximos do fenômeno conhecido como oposição. Como sua velocidade é menor que a da Terra, o movimento angular aparente visto daqui tornasse negativo. O planeta descreve um pequeno anel entre as estrelas, porque sua órbita e a da Terra não são exatamente coplanares. Esse efeito somente foi explicado mais tarde, quando Copérnico afirmou corretamente que a velocidade dos planetas diminui com a distância ao Sol.

SISTEMA HELIOCÊNTRICO

No século XVI, o polonês Copérnico (1473-1543) procurou uma maneira de simplificar essa representação, e propôs o sistema heliocêntrico, isto é, o Sol passaria a ocupar a posição de centro do mundo, e a Terra seria apenas mais um dos planetas que giravam em torno do Sol. Essa idéia não era absolutamente original, considerando que já havia sido apresentada anteriormente por Aristarco e por Nicolau de Cusa. Mesmo no antigo Egito, por volta do século XIV a.C., Amenófis IV propôs o Sol no centro do mundo, mas nesse caso o motivo parece ter sido unicamente religioso, sem nenhum fundamento científico.

Copérnico teria sido o primeiro a dar uma forma científica ao sistema heliocêntrico.

Com o Sistema Heliocêntrico, o movimento aparentemente desorganizado dos planetas pode ser explicado como sendo resultado de uma simples soma vetorial de velocidades. Também nesse sistema, o movimento dos planetas era suposto circular e uniforme, como convinha (conforme os dogmas da época) a qualquer movimento perfeito.

A ordem dos planetas em torno do Sol foi estabelecida da mesma forma como no caso geocêntrico: quanto maior o período da órbita, mais distante o planeta deveria estar do Sol.

A primeira prova irrefutável de que a Terra não era o centro de todos os movimentos celestes veio com Galileu no início do século XVII, quando ele apontou uma luneta ao planeta Júpiter e pode perceber que 4 astros (mais tarde chamados de satélites galileanos de Júpiter) descreviam com certeza, órbitas em torno de Júpiter e não da Terra.

TERRA

Em função da distância do Sol, de sua massa e das condições de origem, a Terra possui características especiais de temperatura, água no estado líquido e quantidades adequadas de nitrogênio e oxigênio em sua atmosfera, o que tornou possível o desenvolvimento da vida em sua superfície.

Constituição da Terra

A Terra é um planeta pequeno e sólido que gira em torno do Sol, junto aos demais astros do Sistema Solar.

Uma grande parte da Terra é coberta pelos mares e oceanos ? é a chamada hidrosfera. A camada mais externa, a atmosfera, é formada por gases. O oxigênio existente na atmosfera e a água líquida tornam possível a vida em nosso planeta. Essa vida, representada pelos seres humanos, animais e vegetais, forma a biosfera.A parte sólida da Terra é a litosfera ou crosta terrestre. Ela recobre tanto os continentes quanto o assoalho marinho e, de acordo com sua constituição, é dividida em sial (composta basicamente de silício e alumínio, encontrada nos continentes) e sima (composta de silício e magnésio, encontrada sob os oceanos). No interior da Terra acredita-se que existam duas camadas formadas por diferentes materiais rochosos: o manto e o núcleo, constituído basicamente de níquel e ferro (nife).

Planeta em mutação

A aparência de nosso planeta sofre constantes transformações. Algumas das mudanças ocorrem de forma repentina e violenta, como no caso dos terremotos e das erupções vulcânicas. Outros processos duram milhões de anos e são capazes de deslocar continentes, erguer montanhas e mudar completamente o aspecto da superfície da Terra. Além disso, a ação das águas dos rios, das chuvas e dos mares, as geleiras e os ventos modificam profundamente o relevo terrestre.

A grande viajante

A Terra gira em torno do Sol, em um movimento contínuo chamado de translação. O caminho que percorre tem a forma de uma elipse e é denominado órbita terrestre. O tempo que a Terra leva para percorrer sua órbita é conhecido como ano sideral e dura 365 dias, seis horas e nove minutos. Além disso, a Terra gira ao redor de seu próprio eixo, como se fosse um pião. A esse movimento dá-se o nome de rotação.

A atmosfera

A Terra é rodeada por uma camada gasosa contínua chamada atmosfera. A atmosfera é formada por uma mistura de gases, principalmente oxigênio, nitrogênio, dióxido de carbono e vapor d?água.

Essa camada nos protege das radiações nocivas do Sol e controla a temperatura do planeta. Os mares e oceanos formam uma extensa camada de água líquida, interrompida apenas pelos continentes, a que se dá o nome de hidrosfera.

A hidrosfera e a atmosfera constituem a parte fluida do planeta, cujas partículas (líquidas e gasosas) podem movimentar-se livremente umas em relação às outras.

Tropopausa: É a zona limite, ou camada de transição, entre a troposfera e a estratosfera da atmosfera da Terra. A tropopausa é caracterizada por pouca ou nenhuma mudança na temperatura à medida que a altitude aumenta.

Estratosfera: É a camada atmosférica entre a troposfera e a mesosfera. A estratosfera se caracteriza por um ligeiro aumento de temperatura com o aumento de altitude e pela ausência de nuvens. A camada de ozônio da Terra está localizada na estratosfera. O ozônio, um isótopo do oxigênio, é crucial para a sobrevivência dos seres vivos na Terra. A camada de ozônio absorve uma grande quantidade da radiação ultravioleta proveniente do Sol impedindo-a de atingir a superfície da Terra. Somente as nuvens mais altas, os cirrus, cirroestratus e cirrocúmulos, estão na estratosfera inferior.

Mesosfera: É a camada atmosférica entre a estratosfera e a ionosfera. A mesosfera é caracterizada por temperaturas que rapidamente diminuem à medida que a altitude aumenta.

Ionosfera: É uma das camadas mais altas da atmosfera da Terra. Ela contém muitos íons e elétrons livres (plasma). Os íons são criados quando a luz do Sol atinge os átomos e arranca alguns elétrons. A ionosfera está localizada entre a mesosfera e a exosfera. Ela é parte da termosfera. As auroras ocorrem na ionosfera.

Exosfera: É a camada mais externa da atmosfera da Terra. A camada mais inferior da exosfera é chamada de "nível crítico de escape", onde a pressão atmosférica é muito baixa, uma vez que os átomos do gás estão muito amplamente espaçados, e a temperatura é muito baixa.

Termosfera: É uma classificação térmica. Ela é a camada da atmosfera localizada entre a mesosfera e o espaço exterior. Na termosfera a temperatura aumenta com a altitude. A termosfera inclui a exosfera e parte da ionosfera.

Polos Terrestres (Geográficos e Magnéticos)

A Terra possui dois pólos geográficos, Norte e Sul. A Terra possui também um campo magnético. Tudo se passa como se a Terra fosse um imenso ímã, atraindo para perto de si partículas eletrizadas existentes no espaço em torno de nosso planeta.

Devido ao campo magnético terrestre ocorrem as auroras polares (austral e boreal). Estes fenômenos são provocados por partículas atômicas (prótons e elétrons), provenientes do Sol e que são capturadas pelo campo magnético, sendo levadas para as proximidades dos pólos magnéticos da Terra onde interagem com os gases da atmosfera terrestre, provocando um fluxo luminoso.

O interior do planeta

A Terra divide-se em camadas concêntricas de diferentes composições e estados físicos. As camadas são separadas pelas descontinuidades de Mohorovicic e de Gutenberg.

A camada mais externa é a crosta, formada por granito nos continentes e por basalto sob os oceanos.

O manto é a camada intermediária e a mais extensa. Supõe-se que seja formado por uma rocha chamada peridotite. Na zona central da Terra encontra-se o núcleo, composto por ferro e níquel.

As marés

A força gravitacional que age sobre a Terra é a causa do efeito das marés, principalmente nas luas nova e cheia, pois é neste período que os astros Terra, Lua e Sol estão alinhados, ou seja, a força gravitacional devido à Lua e ao Sol somam-se. No entanto nas luas minguante e crescente a posição do Sol e Lua formam um ângulo de noventa graus, prevalecendo assim a força devido a Lua, embora a atração do Sol (maré solar) minimize a maré lunar com pouca intensidade. Tal fenômeno faz com que as águas dos oceanos de todo planeta ?subam? devido à atração gravitacional da lua. A onda formada pelas marés é mais alta próxima a Lua, devido à atração, isso faz com que as águas nos pólos baixem para convergir no ponto próximo a Lua, porém, no lado oposto da Terra, a inércia excede (em módulo) a força devido a Lua, conforme princípio da ação-reação proposto por Newton, causando assim a mesma elevação nas águas nesse lado oposto. O que isso quer dizer? Quer dizer que, devido à lei de ação e reação da terceira lei de Newton (além da força centrifuga), a maré irá subir do outro lado da Terra tanto quanto sobe no lado que está próximo a lua. A Terra não pode se mover em direção a esta força, mas fluídos como o ar atmosférico e águas o fazem, no entanto não percebemos, exceto por observadores que estão na costa. Sugestão: ver vídeos sobre o fenômeno das marés.

Pontos cardeais

A necessidade de localizar-se e orientar-se no espaço geográfico é de grande relevância para o homem e suas atividades em diferentes períodos da humanidade. Todos os meios de orientação, desde a utilização de astros e estrelas até o GPS (Sistema de Posicionamento Global), contribuíram com as navegações em busca de novas terras, com as rotas comerciais, guerras e muitas outras aplicações.

Existem diversas formas de orientação, uma delas é a dos pontos cardeais. Pontos cardeais correspondem aos pontos básicos para determinar as direções e são concebidos a partir da posição na qual o Sol se encontra durante o dia.

Os quatro pontos são: Norte (sigla N), denominado também de setentrional ou boreal; Sul (S), chamado igualmente de meridional ou austral; Oeste (O ou W), conhecido também como ocidente; e Leste (E), intitulado de oriente.

Para estabelecer uma localização mais precisa são usados os pontos que se encontram no meio dos pontos cardeais. Esses pontos intermediários são denominados de pontos colaterais: Sudeste (entre sul e leste e sigla - SE), Nordeste (entre norte e leste - NE), Noroeste (entre norte e oeste - NO) e Sudoeste (entre sul e oeste - SO).

Existem ainda maneiras mais precisas de orientação, oriundas dos pontos cardeais e colaterais. Nesse caso, refere-se aos pontos sub-colaterais que se encontram no intervalo de um ponto cardeal e um colateral, que totalizam oito pontos. São eles: norte-nordeste (sigla NNE), norte-noroeste (NNO), este-nordeste (ENE), este-sudeste (ESE), sul-sudeste (SSE), sul-sudoeste (SSO), oeste-sudoeste (OSO) e oeste-noroeste (ONO).

Para inserir todos os pontos apresentados foi criada a rosa dos ventos, chamada também de rosa dos rumos e rosa-náutica.

Movimento de rotação: Dias e noites

A Terra, assim como outros astros, não permanece estática, realizando, portanto, vários movimentos no espaço. O movimento de rotação é um dos mais conhecidos, pois é o responsável pela alternância entre dias e noites.

O movimento de rotação é caracterizado pelo deslocamento que a Terra realiza em torno de seu próprio eixo.

Esse processo tem duração de 23 horas, 56 minutos e 4,09 segundos, sendo responsável pela variação diária na radiação solar, onde uma parte da Terra fica voltada para o Sol, caracterizando o dia; enquanto a outra parte fica oposta ao Sol, noite.

A velocidade do movimento de rotação é impressionante: cerca de 1600 quilômetros por hora. Esse resultado é obtido através da divisão do perímetro da Terra (aproximadamente 40.000 quilômetros) pelo tempo gasto nesse processo (cerca de 24 horas). Portanto: 40 000 / 24 = 1600.

Apesar da grande velocidade atingida durante o movimento de rotação, os habitantes da Terra não conseguem perceber esse movimento. Por esse motivo, temos a impressão de que é o Sol que está se deslocando ao redor da Terra.

Essa concepção foi defendida durante anos, principalmente pela igreja católica, sendo classificada como modelo geocêntrico, no entanto, cientistas provaram o contrário e estabeleceram o modelo heliocêntrico, sendo o Sol o centro do universo.

Solstícios e Equinócios

Cada hemisfério recebe o máximo de radiação solar durante seu solstício de verão. Nesse mesmo dia, o hemisfério oposto recebe o mínimo da sua radiação anual: é o solstício de inverno. Ambos os hemisférios, no entanto, recebem exatamente a mesma radiação nos equinócios da primavera e do outono.

A Terra translada em torno do Sol em uma órbita plana quase circular, com período definindo o ano. Enquanto isso ela vai girando em torno de si mesma, originando os dias. Você sabe que a orientação espacial do eixo de rotação da Terra é fixa?

De um lado (hemisfério norte) ele "aponta" para uma estrela bem brilhante, conhecida como Estrela Polar; do outro lado (hemisfério sul) aponta para uma estrela bem "fraquinha", perto do limite humano de visualização a olho nu, a Sigma da constelação do Octante. Durante a sua volta anual em torno do Sol o eixo de rotação da Terra está sempre apontando para essas estrelas.

Outra particularidade do movimento Terra - Sol muito importante: além de ter direção fixa, o eixo de rotação da Terra é inclinado de 23,5° em relação à normal ao plano da translação da Terra.

Como consequência disso, hora um hemisfério está voltado para o Sol; seis meses depois é o outro hemisfério que está voltado para o Sol.

Essas posições da Terra em relação ao Sol são conhecidas como Solstícios: Solstício de Verão para o hemisfério voltado para o Sol; Solstício de Inverno para o hemisfério voltado contra o Sol. (Note que um mesmo solstício é chamado de Solstício de Inverno em um hemisfério enquanto é chamado de Solstício de Verão no outro hemisfério; e vice-versa.)

Entre os Solstícios, temos posições intermediárias, conhecidas como equinócios, onde os dois hemisférios estão simetricamente dispostos em relação ao Sol: Equinócio de Primavera para o hemisfério que está indo do Inverno para o Verão e Equinócio de Outono para o hemisfério que está indo do Verão para o Inverno.

Daqui da superfície da Terra, notamos um movimento anual do Sol na direção Norte - Sul.

Nos dias de inverno, pra nós do hemisfério sul, o Sol passa "mais pro norte" e nos dias de verão passa "mais pro sul".

Imagine uma linha, que chamamos de "equador celeste", que fica exatamente sobre o equador terrestre. Nos equinócios vemos o Sol sobre essa linha. No nosso Solstício de Inverno, vemos o Sol 23,5o ao norte e no Solstício de Verão 23,5° ao sul dessa linha.

Sugestão de animações no site http://w.observatorio.ufmg.br/pas44.htm

Rotação e precessão

Tal como um pião, um planeta exibe um movimento de precessão do seu eixo em torno de uma linha perpendicular ao plano definido pelo seu movimento de translação. Desta maneira o ângulo que o eixo de rotação faz com este plano não muda.

Além de um movimento de translação, os planetas rodam sobre si próprios com um período característico para cada planeta e cada época. Na Terra, é este movimento que é responsável pela duração do dia: ? O tempo que demora a completar uma rotação completa. Este movimento dá-se em torno de um eixo imaginário, chamado eixo de rotação, que define os dois pólos do planeta e passa pelo seu centro.

Uma das medidas importantes para caracterizar dinamicamente os planetas é precisamente o ângulo, chamado obliquidade, que o eixo de rotação faz com o plano da órbita à volta do Sol.

Este eixo, no entanto, não está fixo uma vez que os planetas, tal como um pião, podem exibir ainda um movimento de precessão do eixo de rotação.

Diferentes climas

A Terra recebe energia do Sol, na forma de radiação.

Nosso planeta é quase esférico, e a quantidade de luz que recebe depende do ângulo que os raios solares formam com a superfície da Terra. O Equador e os Trópicos recebem maior quantidade de luz, por isso são zonas de clima quente. Ao contrário, as zonas polares recebem muito pouca radiação e por isso são zonas de clima frio. Assim, a distinta incidência dos raios solares sobre a superfície faz com que a Terra apresente cinco zonas climáticas.

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