História dos Foguetes - 2019

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LANÇAMENTO DE FOGUETES DE FÍSICA - 2019
O homem e o espaço
A chegada do homem na Lua representa uma das mais belas páginas da
História.
O que é um foguete espacial?
Foguetes são veículos destinados ao transporte de cargas e pessoas ao
espaço. Podem ser classificados quanto ao tipo (foguetes de sondagem
e veículos lançadores de satélites), propelente (sólido, líquido, híbrido),
número de estágios (mono, bi e multi-estágios) e aplicação (tripulado e
não tripulado).
Foguete Atlas-Centauro 10 decolando da Estação da Força Aérea de Cabo Canaveral em 1966.
Fonte: wikipedia
Foguete Saturno V sendo lançado.
Fonte: wikipedia
Partes de um foguete?
Fonte: Revista Super Interessante
Um foguete é constituído por coifa, carga-útil, sistema de recuperação (paraquedas), motor-foguete,
empenas e tubeira.
Partes de um foguete?
A coifa serve para proteger a carga-útil que pode ser um satélite, um astronauta, ou experimentos de microgravidade. A sua forma visa diminuir o atrito do foguete com a atmosfera terrestre. 
O motor-foguete, ou propulsor, é o principal componente do foguete. É ele que transporta a energia necessária ao movimento do foguete. 
As empenas são pequenas asas localizadas na base do foguete. Servem para conferir estabilidade durante o vôo. 
Fonte: Revista Super Interessante
Combustível líquido – Para gerar os gases que empurram o foguete, são necessárias duas substâncias: o combustível e o comburente. Quando são líquidas, elas ficam em tanques separados e só se encontram numa câmara especial, com uma abertura para a saída do jato.
Combustível sólido – O combustível e o comburente também podem ser sólidos – nesse caso, eles ficam juntos no mesmo tanque. Eles só não acendem antes da hora porque para isso é preciso uma centelha, disparada na hora de ligar o motor. Este é o modelo usado pelo VLS brasileiro.
Fonte: Revista Super Interessante
1. O primeiro passo do lançamento é acender a “fogueira” que impulsiona o foguete. Isso é feito com a ajuda de um ignitor, disparado por um sinal elétrico a partir do centro de controle. O ignitor funciona como um pavio que percorre o interior do tanque e inicia a queima do combustível.
2. O primeiro estágio propulsor do foguete funciona durante os 60 segundos iniciais de vôo. Ao final desse tempo, ele atinge cerca de 30 km de altitude, a uma velocidade de 6 mil km/h. Quando ele se esvazia, um sistema eletrônico solta os quatro motores do estágio, que caem no mar reduzindo o peso do conjunto.
3. O segundo estágio começa a funcionar nos últimos cinco segundos de ação do primeiro e também queima por 60 segundos. Dois minutos após o lançamento, o VLS já está a 100 km de altitude, a quase 10 mil km/h. A essa altura, o 2º estágio é solto e cai
4. O terceiro estágio queima por mais 60 segundos e se apaga, com três minutos de operação, a 230 km de altitude e 5 mil km/h. Sem motores, a velocidade do foguete diminui por causa da gravidade. Mas ele continua subindo, porque a resistência do ar já é pequena para freá-lo
Fonte: Revista Super Interessante
5. O foguete fica apagado por seis a dez minutos, tempo necessário para o computador de bordo do módulo de controle fazer o basculamento. Essa manobra, feita com ajuda de minipropulsores de gás comprimido, libera o satélite e deixa o foguete de lado em relação à Terra, ideal para entrar em órbita.
6. O quarto estágio é ligado quando o foguete está perto dos 750 km de altitude, área em que o satélite vai funcionar. O motor queima por 60 segundos e acelera até 27 mil km/h, velocidade necessária para entrar em órbita nessa altitude.
7. Se a carga do VLS for uma sonda de pesquisa em vez de um satélite, ela fica um tempo em órbita e cai no momento e local programados, boiando e soltando uma tinta laranja. A queda é amortecida por um pára-quedas e o resgate é facilitado por um aparelho de GPS.
História dos foguetes...
A origem do foguete é, provavelmente, oriental. A primeira notícia que se tem do seu uso é do ano 1232, na China, onde foi inventada a pólvora, usada a princípio em fogos de artifício como entretenimento e, mais tarde, usada para uso bélico ofensivo.
Existem relatos do uso de foguetes chamados "flechas de fogo voadoras" no século XIII, na defesa da capital da província chinesa de Henan devido a constantes invasões mongólicas na fronteira ocidental do Império Chinês.
A marinha inglesa usou foguetes desenvolvidos por William Congreve (1772-1828) contra Napoleão Bonaparte (1769-1821).
Os foguetes do coronel inglês William Congreve foram usados na Espanha durante o sítio de Cádiz (1810), na primeira guerra Carlista (1833 - 1840) e durante a Guerra do Marrocos (1860).
História dos foguetes...
Nos finais do século XIX e princípios do século XX, apareceram os primeiros cientistas que viram o foguete como um sistema para propulsionar veículos aeroespaciais tripulados. Entre eles, destacam-se o russo Konstantin Tsiolkovsky, o alemão Hermann Oberth, o estadunidense Robert Hutchings Goddard e, mais tarde, os russos Sergei Korolev e Valentin Glushko e o alemão Wernher von Braun.
Os alemães, liderados por Wernher von Braun, desenvolveram, durante a Segunda Guerra Mundial, os foguetes V-1 e V-2, que foram a base para as pesquisas sobre foguetes dos Estados Unidos e da União Soviética no pós-guerra. 
Konstantin Tsiolkovsky, o sonho e a imaginação de voar mais além
1977: Morre Wernher von Braun
Robert Hutchings Goddard e o primeiro voo de foguete propelido a combustível líquido (gasolina e oxigênio), lançado em 16 de março de 1926, em Auburn, em Massachusetts, nos Estados Unidos
Lançamento de foguete Bumper 2 pelos Estados Unidos em julho de 1950 na Estação da Força Aérea de Cabo Canaveral. Esse foguete era um V-2 adaptado.
Foguete Saturno V sendo lançado.
Redstone Nº CC-56, Cabo Canaveral, Flórida, 17 de Setembro de 1958.
Foguete Proton da Rússia
Falcon 9 decola do Kennedy Space Center transportando o satélite Bangabandhu-1 (Maio de 2018)
O VLS-1 V1 em sua plataforma móvel de lançamento no Centro de Lançamento de Alcântara
A corrida espacial
No pós-guerra os cientistas alemães foram levados para os EUA e para a URSS. Eles deram início a um intenso programa de desenvolvimento de mísseis.
No dia 04 de outubro de 1957 os russos lançaram o satélite;
Em 03 de novembro de 1957, os soviéticos lançaram o Sputnik 2, com a cadela Laika a bordo;
Em 1958 o presidente Dwight Eisenhower (1890-1969) criou a NASA (National Aeronautics and Space Administration); 
Em janeiro de 1959, os soviéticos lançaram o Programa Luna;
No dia 12 de abril de 1961, Yuri Gagarin (1934-1968), deu uma volta completa ao redor da Terra a 28.800 km/h.
Sputnik (Companheiro em russo) - esfera metálica de 84 kg, com 58 cm de diâmetro, que transmitiu sinais à Terra por 21 minutos.
Yuri Gagarin
Ele permaneceu 108 minutos em órbita, quando a sua espaçonave Vostok reentrou na atmosfera terrestre.
“A Terra é azul” 
A corrida espacial
Em 12 de outubro de 1965, foi criado o Centro de Lançamento da Barreira do Inferno (CLBI) em Natal, RN, de onde, em 15 de dezembro, foi lançado o foguete americano Nike-Apache. 
Em fevereiro de 1962, a bordo da Mercury 6, John Glenn completou três órbitas em torno da Terra.
Em março de 1965 os americanos deram início ao Programa Gemini. 
Em 1967 é iniciado o Programa Apollo.
Na noite do dia 24 de dezembro de 1968 Frank Boorman (1928-), James Lovell (1928-) e William Anders (1933-) chegaram à órbita lunar.
O programa Mercury
O programa Gemini.
Antes do término da Gemini, os americanos deram início à construção do foguete Saturno V, o qual deveria alcançar a velocidade de escape da Terra em direção à Lua, ou seja, 40.000 km/h
A Terra da Lua.
A corrida espacial
O programa Apollo
O programa Lua
Cerca de 400 mil pessoas trabalharam no Programa Apollo, a um custo atualizado de 150 bilhões de dólares (FAQ: Bush’s New Space Vision, 2004)
A corrida espacial
Com 110 metros de comprimento e 10 metros de diâmetro pesava 3 milhões de quilos (equivalente ao peso de 3.000 automóveis). Eratão pesado que, mesmo antes da sair do solo, consumia dezenas de toneladas de combustível (querosene e oxigênio). Sua altura era equivalente a um edifício de 36 andares. Destes, apenas um era ocupado pelos astronautas. Os demais eram tanques de combustível. Dividido em três estágios, o primeiro estágio possuía cinco motores que queimavam querosene e oxigênio líquidos. O segundo e terceiro estágios usavam hidrogênio e oxigênio líquidos. Uma maravilha tecnológica!
O foguete Saturno V
A corrida espacial
A Apollo 11 marcou a história da humanidade. 
Lançada 24 anos após o primeiro teste de uma bomba nuclear, 16 de julho de 1969, a Apollo 1I alunissou 4 dias depois, num domingo, às 15h18 (horário de Houston, EUA) em solo lunar. Neste dia, Santos-Dumont, se vivo fosse, completaria 96 anos. 
Lua crescente em julho de 1969.
Nosso pé na Lua
A corrida espacial
Eram 21h56, horário de Houston (23h56 horário de Brasília), quando Neil Armstrong pisou no solo lunar e proferiu a seguinte frase: 
Caminharam por duas horas na superfície da Lua. Enquanto isso, Michael Collins tornou-se a lua da Lua. No Mar da Tranqüilidade, Armstrong e Aldrin deixaram a bandeira americana, um sismógrafo, um refletor de raios laser, uma antena de comunicações, uma câmara de TV e a base do módulo lunar, em cuja superfície estava afixada uma placa, na qual estava escrito, em letras garrafais:
Cena do Filme: Primeiro Homem - 2018
A corrida espacial
Os russos chegaram à Lua em 12 de setembro de 1970. Com a Luna 16, uma nave não tripulada, os russos recolheram amostras do solo lunar, trazendo-as de volta à Terra
A chegada à Lua mostrou as enormes possibilidades do homem e ofereceu uma visão otimista da tecnologia! 
Luna 16 (em russo: Луна que significa lua), foi a designação da primeira missão robótica bem sucedida, conduzida pela União Soviética, com o objetivo de pousar na Lua e retornar uma amostra do solo lunar para a Terra.
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O Pós lua
Em 1971 os russos colocaram a primeira estação espacial em órbita da Terra;
20 de julho de 1976, após viajar pelo espaço por um ano, percorrendo 100 milhões de quilômetros, a espaçonave Viking 1, chega a Marte. A Viking 2 ainda demorou mais alguns meses para lá chegar;
Em 12 de abril de 1981, os americanos lançaram o seu primeiro ônibus espacial, o Space Shuttle Columbia;
O Pós lua
Em 1986, Challenger, explodiu nos primeiros instantes de vôo;
Em 1989, a Sonda Magalhães foi lançada pelo Shuttle para explorar o planeta Vênus. 
Em 25 de abril de 1990, o ônibus espacial colocou o telescópio Hubble a 600 km de altitude em órbita da Terra;
Os russos tralharam na Estação Espacial Mir que orbitou a Terra entre os anos de 1986 e 2001.
Imagens feitas pelo Hubble em 04 de julho
de 2005, quando a espaçonave Deep Impact intencionalmente colidiu com o cometa Tempel 1.
O Pós lua
A Estação Espacial Mir a 400 km da Terra
O Pós lua
Em 1984 foi criada a estação espacial denominada de “Estação Espacial Internacional”, conhecida pela sigla ISS ou EEI (International Space Station);
Encontra-se em órbita baixa (entre 340 km e 353 km), que possibilita ser vista da Terra a olho nu, e viaja a uma velocidade média de 27 700 km/h. Ela pesa 420 toneladas e tem o tamanho de um campo de futebol 
O Pós lua
Acidente do ônibus espacial Columbia, ocorrido em primeiro de fevereiro de 2003;
Em 14 de outubro de 1997, Brasil e EUA faziam um acordo. Nele, o Brasil se comprometia a fornecer seis componentes da ISS, a um custo estimado de 120 milhões de dólares.
A viagem de Marcos Pontes foi denominada Missão Centenário. Ele foi conduzido ao foguete Soyuz por Valentina Tereskova!
Os foguetes e os conhecimentos de Física!
“Se enxerguei mais longe, foi porque me apoiei sobre os ombros de gigantes”
Astrônomo, alquimista, filósofo natural, teólogo e cientista inglês, mais reconhecido como físico e matemático. Sua obra, Princípios Matemáticos da Filosofia Natural é considerada uma das mais influentes na história da ciência. Descobriu a "Lei da Gravitação Universal". Fez descobertas em óptica, movimento e matemática, ele desenvolveu os princípios da física moderna. 
Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Nicolau_Cop%C3%A9rnico
As leis da mecânica
Por que a Lua gira em torno da Terra?
Seu movimento ocorre devido a duas forças: a inércia da Lua e a força de atração gravitacional da Terra.
Fonte: https://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/astronautica-velocidade-de-escape.htm
Velocidade de Escape
O “Experimento mental do canhão” de Newton 
A velocidade de escape é a mínima velocidade com que um corpo pode ser lançado da superfície de um planeta, de forma a não ser mais puxado de volta para baixo, devido à força da gravidade.
V escape = 1 1 , 2 km/s
do canhão” de Newton é uma brilhante ilustração da sua teoria sobre ALGUMAS órbitas possíveis. De acordo com a figura encontrada no Principia, Newton imagina um canhão sendo disparado HORIZONTALMENTE do alto de uma montanha em um planeta hipotético SEM ATMOSFERA. Ele então mostra que as trajetórias ELÍPTICAS de sucessivos projéteis disparados do ponto V, cada vez com velocidade maior, acabam por interceptar a superfície do planeta em pontos cada vez mais distantes do topo da montanha e finalmente um projétil entraria em uma órbita CIRCUNFERENCIAL que o levaria a não atingir mais a superfície do planeta.
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Reação de empuxo – como os foguetes se locomovem
Os foguetes funcionam baseados na Lei de Newton, a lei da ação e reação. Eles consistem, basicamente, em um projétil que leva combustível - sólido ou líquido - no seu interior. Esse combustível é queimado progressivamente na câmara de combustão, gerando gases quentes que se expandem. Os gases, por sua vez, são expelidos para trás por um bocal (abertura na traseira) e, ao mesmo tempo, ocorre uma reação na parede interna da câmara oposta ao bocal. Essa reação - à qual damos o nome de empuxo - e a expulsão dos gases empurram o foguete para frente.
Fonte: Livro Fundamentos de Física Conceitual - Paul G. Hewitt
Fonte: SOUZA, James Alves de. Um foguete de garrafa PET. Física na Escola, v. 8, n. 2, 2007.
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Curiosidades
Os ônibus espaciais que voltam para a Terra, podem entrar na atmosfera a 25 mil km/h, cerca de 20 vezes a velocidade do som (1.225,044 km/h ).
A temperatura externa da nave pode chegar a impressionantes 8.000 ºC, uma marca que supera até mesmo a temperatura da superfície do Sol – que é, em média, 6.000 ºC. Por isso, os veículos espaciais possuem um revestimento especial de cerâmica, com 10 centímetros de espessura. Ao absorver o calor, esse material vai se desfazendo aos poucos e precisa ser reposto a cada voo. Sob a cerâmica, a fuselagem possui placas de titânio que garantem uma proteção adicional. 
Fonte: https://super.abril.com.br/mundo-estranho/por-que-a-reentrada-de-espaconaves-na-atmosfera-gera-fogo-e-atrito-tao-violentos/
No lançamento, um ônibus espacial decola com mais de 3 milhões de litros de combustíveis, entre eles hidrogênio líquido, oxigênio líquido, hidrazina e outros. Somados, os combustíveis pesam 728 toneladas.
Para permanecer em órbita ao redor da Terra, o ônibus espacial deve alcançar uma velocidade de cerca de 28 mil km/h. A velocidade exata depende da altitude da rota, que pode variar entre 304 e 528 km acima do nível do mar.
Efeitos de clima espacial. A interação de emissões de plasma do Sol com o campo magnético da Terra produz alguns efeitos que capazes de afetar satélites artificiais e outros aparatos em órbita, astronautas em atividade extraveicular, e mesmo gerar efeitos no cotidiano da Terra
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Curiosidades e mitos
Vácuo - o vácuo não é um espaço vazio, um “nada”. A atmosfera terrestre, não é vácuo porque é preenchido por muitas moléculas (1024 átomos em um metro cúbico). Essa quantidade enorme de moléculas exerce pressão considerável sobre todos os corpos na superfície terrestre. O vácuo pode ser entendido em termos de pressão ou na mecânica quântica como estado mínimo de energia (raios gama, ondas de rádio, outras formas de radiação,  energiaescura). No espaço,  a condição de vácuo é bem diferente da atmosfera terrestre o que exige a utilização de trajes especiais pelos astronautas.
Baixa pressão. Na Terra, a atmosfera exerce pressão em todas as direções, que a nível do mar é de . No espaço, a pressão é praticamente nula. 
Se uma pessoa fosse abandonada no espaço sem traje espacial, ela morreria em menos de dois minutos!
 - Teria seus pulmões desprotegidos. O ar em seu interior se dissiparia rapidamente no vácuo e os gases dissolvidos nos fluidos do corpo se expandiriam, separando sólidos e líquidos. 
- A pele se inflaria como um balão. 
Bolhas se formariam na corrente sanguínea, de modo que o sangue não seria capaz de transportar oxigênio e nutrientes para as células do corpo. 
- Uma ausência súbita de pressão externa equilibrando a pressão interna de gases e fluidos do corpo romperia tecidos frágeis, como os tímpanos e os capilares. 
 -O efeito final no corpo seria a expansão, a danificação de tecidos, além de privar o cérebro de oxigênio, o que ocasionaria perda de consciência em um intervalo de tempo menor que 15 segundos.
Fonte: https://educacaoespacial.wordpress.com/recursos-2/materiais-de-estudo/conteudos/astronautica/traje-de-astronauta/
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Curiosidades e mitos
Variação de temperatura. O espaço é um lugar muito gelado. No espaço que encontramos as temperaturas mais baixas da natureza. 
Os espaços entre planetas, satélites, asteroides estrelas… apresenta uma temperatura que se aproxima do zero absoluto (-273 °C). Mas, no espaço, a temperatura não chega a zero absoluto, mas a 3 graus acima do zero absoluto. Esse “calor” provém da radiação de fundo, que é a principal evidência de que o Big Bang realmente aconteceu. 
A uma distância equivalente à distância Terra-Sol, o lado dos objetos iluminado pelo Sol pode atingir uma temperatura de até 120°C, enquanto o lado de sombra pode atingir até -100°C. Esses dados são importantes para se fazer os trajes de astronautas para atividades fora da nave espacial. 
Ausência de peso aparente (microgravidade). No espaço, parece que as pessoas não têm peso! Os astronautas na Estação Espacial Internacional ou no interior de uma nave espacial, estão a apenas 100 km da superfície da Terra! No caso da Estação Espacial, ela está a apenas 400 km da superfície da Terra! Logo, elas são atraídas pela Terra. Essas naves estão se deslocando a uma velocidade tão grande que faz com que não caia na Terra, apesar de estarem em queda livre. Por isso, gera nos astronautas uma sensação de aparente ausência de peso. Em outras palavras, gera a sensação de microgravidade. É isso que faz com que os astronautas flutuem. 
Fonte: https://educacaoespacial.wordpress.com/recursos-2/materiais-de-estudo/conteudos/astronautica/traje-de-astronauta/
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O foguete de garrafa PET
Para a propulsão de um foguete de pet são necessários três dispositivos básicos: o gatilho, a bomba de ar e o foguete de garrafa.
Montagem
Diferentemente dos aviões que possuem asas e superfícies móveis de controle produzindo sustentação e permitindo a realização de vôos na horizontal, os foguetes são veículos projetados para se deslocar na direção vertical, ou o mais próximo possível desta, vencendo a força da gravidade. Por isso é preciso atenção a dois pontos de equilíbrio:
 - As forças que são o centro de massa (CM);
- O centro de pressão (CP),
O CM é o ponto de equilíbrio das forças gravitacionais que agem sobre o foguete e está relacionado com a massa de cada parte que o compõe.
Dica!
Equilibre o foguete (na horizontal) sobre uma régua e no momento em que o equilíbrio for estabelecido o CM estará no eixo central do foguete, acima do ponto de contato com a régua (Fig. 6). 
Empurre um objeto com o dedo indicador pela sua parte traseira. Observe que qualquer imperfeição da superfície em que o objeto estiver, ou se o ponto de contato entre seu dedo e o mesmo for diferente da reta que contém o CM, fará com que o objeto desvie de sua trajetória inicial em um movimento de rotação em torno de seu CM.
Fonte: SOUZA, James Alves de. Um foguete de garrafa PET. Física na Escola, v. 8, n. 2, 2007.
O CP é o ponto de equilíbrio das forças aerodinâmicas exercidas sobre as partes do foguete, e é importante por equilibrar os torques gerados por essas forças.
- Projete a silhueta do foguete em um pedaço de papelão e encontrar seu CM (veja a Fig. 7b), pois nesse caso o centro do elemento de área que corresponde ao CP do plano coincide com seu CM. 
Para que haja boa estabilidade do foguete é preciso que o CM esteja a 1,5 cm, ou mais, acima do CP.
Pode-se utilizar o nariz do mesmo como compartimento de carga, acrescentando pequenos pesos em seu interior e fazendo com que seu CM seja deslocado para cima. É importante que os pesos fiquem uniformemente distribuídos. 
Outra maneira é trocar as aletas do foguete por aletas mais largas ou alongadas, fazendo com que o CP se desloque para trás.
Fonte: SOUZA, James Alves de. Um foguete de garrafa PET. Física na Escola, v. 8, n. 2, 2007.