Questões de Foguetes e lançamentos da OBA

Os foguetes de garrafas PET, com água e ar comprimido, se movem quando o ar comprimido dentro da garrafa expulsa a água contida dentro da garrafa, ou seja, ejeta a água (e ar) em alta velocidade e se move na direção oposta.

Os foguetes de garrafas PET, com vinagre e bicarbonato de sódio, se movem quando o gás gerado pela reação química entre estas duas substâncias expulsa esta mistura líquida em alta velocidade e o foguete se move na direção oposta.

Os foguetes de propulsão sólida se movem quando os gases da queima do propelente são ejetados para trás em alta velocidade e o foguete se move na direção oposta.

Ou seja, quando algo é ejetado para trás, em alta velocidade, o foguete se move no sentido oposto. Assinale a Lei da Física que explica o movimento dos foguetes acima descritos.

Os foguetes sobem porque lançam gases em alta velocidade para baixo, gerando uma força para cima (chamada de força empuxo) que vence a força peso do foguete. Essa força depende de dois fatores principais: 1) da quantidade de massa de propelente “queimado” por segundo e 2) da velocidade com que os gases são ejetados pelo motor do foguete.

Ou seja, quanto mais propelente o foguete “queima” por segundo e mais rápido os gases são ejetados, maior será a força empuxo que empurra o foguete para cima.

Com base nestas informações, qual dos foguetes abaixo terá maior força de empuxo ao ser lançado?

O foguete Starship da SpaceX é composto de dois estágios. O primeiro estágio é formado por 33 motores e o segundo por 6 motores. Na decolagem sua massa é de 5.000.000 kg e o seu comprimento é de 121 metros. Quando estiver operando, o Starship será capaz de colocar 100.000 kg em órbita terrestre. Além de colocar satélites em órbita terrestre, o Starship permitirá viagens à Lua e a Marte.

Perguntas:

8a) Se o 1º estágio tem 71 metros de comprimento, quanto mede o 2º estágio?

8b) Suponha que um satélite colocado em órbita da Terra pelo foguete Starship (vide Figura) leve 1,5 hora para completar um giro (órbita) em torno da Terra. Sabendo que em cada órbita o satélite percorrerá a distância de 42.000 km, calcule a velocidade (V) desse satélite em km/h. Dica: velocidade = distância percorrida / tempo.

Assinale a alternativa que contém as respostas aos itens “8a” e “8b” acima, nesta ordem.

A empresa norte-americana SpaceX está desenvolvendo um super foguete capaz de colocar 100.000 kg em órbita da Terra. No futuro o Starship poderá levar humanos à Lua e a Marte. Uma das novidades desse foguete é o uso do metano líquido como combustível. O foguete tem 120 metros de altura, equivalente à altura de um edifício de 40 andares. A estátua do Cristo Redentor tem 38 metros de altura. Baseado nessas informações:

PRIMEIRO coloque F, de falso, ou V, de verdadeiro, na frente de cada afirmação abaixo e, DEPOIS, assinale a alternativa que contém a sequência correta de F e V.

1ª) ( ) O nome do foguete é SpaceX.

2ª) ( ) O foguete está sendo desenvolvido nos EUA.

3ª) ( ) Querosene é o combustível usado no Starship.

4ª) ( ) O foguete é capaz de levar 100 automóveis de 1.000 kg ao espaço.

5ª) ( ) O Starship é mais alto que 3 estátuas do Cristo Redentor, uma sobre a outra.

Assinale a alternativa que contém a sequência correta de F e V.

Em 25 de dezembro de 2021, foi lançado o Telescópio Espacial James Webb (James Webb Space Telescope - JWST), usando-se o foguete europeu Ariane 5.

Item a) Baseado na tabela abaixo, calcule o tempo total de funcionamento dos três estágios do foguete Ariane 5.

Item b) Quando estiver operacional, o JWST terá um de seus lados apontado para o Sol e o outro lado apontado para o lado oposto. O lado apontado para o Sol estará a uma temperatura de 85 ºC e o outro lado estará a uma temperatura de - 233 ºC (vide figura). Qual a diferença de temperatura entre os dois lados do JWST?

Assinale a alternativa que contém as respostas corretas aos itens “a” e “b”, acima, e na sequência correta.

(1 ponto) Era quase meia noite, horário de Brasília, do dia 20 de julho de 1969 quando o astronauta norte-americano Neil Armstrong pisou na superfície da Lua. Em 2019 comemoramos 50 anos desse evento, que nos lembra o quão longe podemos ir com criatividade, engenhosidade, determinação e trabalho. Os 384.000 km que separam a Terra da Lua foram vencidos por meio das seguintes etapas: 1. Lançamento do Saturno V; 2. Órbita da Terra; 3. Período de injeção na trajetória translunar; 4. Órbita da Lua; e 5. Pouso lunar, mostrados esquematicamente na figura.

a) (0,5 ponto) O 1º estágio do Saturno V é composto de 5 motores F-1. Cada um desses motores produz o empuxo E (força) de 6.900.000 N. Considerando que a massa m inicial do Saturno V é de 3.000.000 kg e g ≈ 10 m/s², calcule a aceleração inicial do Saturno V, em m/s².
Dica: Utilize a segunda Lei de Newton e considere que apenas as forças de empuxo e peso atuam sobre o foguete, que voa sempre na vertical.

Atenção: Registre abaixo suas contas, pois sem elas os resultados não têm valor.

b) (0,5 ponto) O valor da aceleração que você obteve acima só é válido para o primeiro instante de voo porque, a partir da ignição dos 5 motores F-1 que equipam o 1º estágio do Saturno V, sua massa é reduzida à taxa de 15.000 kg/s, em função do consumo de propelente. Sabendo que os 5 motores F-1 funcionam por 160 segundos, qual será a aceleração do Saturno V quando tiverem transcorridos 100 segundos de voo?
Em seus cálculos considere que g ≈ 10 m/s² e o Empuxo dos motores não varia com a altitude.

Atenção: Registre abaixo suas contas, pois sem elas os resultados não têm valor.