Como pesamos um planeta?
Como pesamos um planeta?
Meu amigo me perguntou como os cientistas pesam um planeta. Ele não tem formação científica, então preciso fazê-lo entender com uma analogia simples. Como posso explicar para ele?
Respostas
A outra resposta postada está correta, mas deixe-me tentar explicá-la um pouco mais detalhadamente e, na verdade, corrigi-lo em seus termos. Fiz uma entrevista sobre este tópico para um podcast literalmente há apenas dois dias, então está fresco em minha mente.
Resposta: A maneira como determinamos a massa de um objeto astronômico é através da forma de Newton da Terceira Lei de Kepler, que relaciona a distância que outro objeto orbita o objeto em questão com a distância que orbita daquele objeto e algumas constantes matemáticas e físicas fundamentais. Isso requer que haja um objeto de "teste" menor na órbita do objeto cuja massa você deseja medir.
Conceitualmente, isso significa que só podemos medir a massa de um objeto por meio do efeito dessa massa em outro objeto.
O que isso significa? A Terceira Lei de Kepler afirma que o tempo que um objeto leva para orbitar outro, ao quadrado, é proporcional ao semieixo maior de sua órbita ao redor desse objeto, ao cubo. Costumamos usar isso em nosso sistema solar em unidades de distância em UA (1 UA = distância média da Terra ao Sol) e anos terrestres. Portanto, antes de sabermos o quão grande é uma UA em km, ainda sabíamos que Júpiter tinha cerca de 5,2 UA e levou 11,9 anos terrestres para dar a volta ao sol.
A Terceira Lei de Kepler foi formada em 1619, mas foi necessária a Lei da Gravitação de Newton em 1687 para fornecer a física por trás dela. Essa física mudou o "é proporcional a" para "igual" e adicionou 4π 2 / G * M à fórmula. Sabemos o que significa 4, sabemos o que significa π. M é a massa do grande objeto que algo está orbitando. É o que queremos resolver. E, supondo que possamos observar um objeto orbital, sabemos seu período e distância do objeto principal que queremos resolver.
Então, tudo o que temos que fazer é descobrir G, a constante gravitacional. A gravidade é muito fraca, então é muito difícil de medir, e levou quase 100 anos para ser calculada com certa precisão, e a primeira medição real que as pessoas gostam (feita por Cavendish) não aconteceu até 1798.
Com um valor para "big G", como costuma ser chamado nas aulas de física, agora você pode calcular a massa de qualquer objeto no espaço. Contanto que tenha outro objeto orbitando. Esse objeto menor é necessário para que possamos usar a Terceira Lei de Kepler para observar a órbita desse objeto em torno do grande que queremos medir. Se não tivermos esse objeto menor em órbita, não podemos * medir a massa do grande. Portanto, nossas primeiras medições razoáveis da massa de Plutão só vieram depois que seu satélite principal, Caronte, foi descoberto. Apenas asteróides com luas têm estimativas de massa razoáveis.
* Existem outras maneiras de fazer isso. Uma é colocar um satélite artificial em órbita, para que assim que Dawn orbitasse Vesta, e então Ceres, poderíamos obter suas massas. Outra forma é um estilingue gravitacional em torno de um objeto, como enviar uma sonda passando por Vênus, podemos observar o quanto Vênus desvia a sonda e obter sua massa. Também podemos observar as perturbações gravitacionais em um sistema causadas por massas menores e descobrir o que essas massas menores devem ser para causar essas perturbações, mas isso é muito mais difícil (mas levou a algumas estimativas iniciais da massa de Vênus).
O ponto principal ainda é que, conceitualmente, você só pode fazer isso medindo os efeitos do objeto (massa) em outro objeto.
Termos : A massa é uma propriedade fundamental da matéria, é uma maneira de pensar em quantas "coisas" existem. Ele tem as unidades familiares de gramas (ou quilogramas) ou libras. O peso é diferente. Peso é como a massa age na presença de uma aceleração, como a gravidade. Possui unidades métricas de Newtons.
Na presença de uma aceleração gravitacional basicamente igual - a superfície da Terra - a massa e o peso são proporcionais porque a aceleração gravitacional é a mesma. Portanto, minha massa - que não muda (muito) - significará que tenho o mesmo peso, onde quer que esteja na superfície da Terra. Se minha massa for 100 kg, então vou pesar cerca de 1000 N na Terra. Se eu for à Lua, minha massa ainda será de 100 kg, mas estarei em um campo gravitacional diferente e pesarei cerca de 160 N.
Como meu peso e minha massa são proporcionais em praticamente qualquer lugar da Terra, usamos os termos "massa" e "peso" de forma completamente intercambiável, mas ainda os usamos incorretamente. Na verdade, quando fiz a gravação do podcast que mencionei acima, tivemos que fazer até sete tomadas de apenas uma frase porque continuei usando os termos errados, embora estivesse explicando como usá-los corretamente!
Isso é importante porque sua pergunta está na verdade formulada de maneira errada: A pergunta é: "Como determinamos a massa de um planeta?"
Para pesar um planeta, os cientistas precisam saber duas coisas:
- Quanto tempo leva para os objetos orbitarem o planeta
- A que distância esses objetos estão do planeta.
O tempo que um objeto leva para orbitar um planeta depende de sua distância do planeta e da massa do planeta.
NASA Space Place: Como pesamos os planetas?
Já conhecemos a densidade de vários materiais. Sabendo a densidade dos materiais com base em seu volume aproximado, obtemos uma estimativa de massa geral.
Além disso, como a Gravidade é proporcional à Massa, podemos determinar a aceleração de seu movimento.
A Lei da Gravitação Universal de Newton nos diz que a força de atração entre dois objetos é proporcional ao produto de suas massas dividido pelo quadrado da distância entre seus centros de massa.