PROFESSOR MADISON / LABORATÓRIO DE FÍSICA
1ª SÉRIE • FRENTE A6 • LEIS DE KEPLER
ABERTURA · 01/40Bernoulli · Frente A6 · pp. 49–52

Leis de Kepler

Como observações difíceis se transformaram em três leis capazes de descrever o movimento dos planetas.

Órbitas • Áreas • Períodos

Tycho Brahe → Kepler → Newton → exploração espacial

ROTEIRO · 02/40Bernoulli · Frente A6 · pp. 49–52

O que vamos compreender?

1ª lei · Órbitas

Por que os planetas não descrevem circunferências perfeitas?

2ª lei · Áreas

Por que o planeta se move mais rapidamente perto do Sol?

3ª lei · Períodos

Como calcular o tempo de uma volta usando o tamanho da órbita?

HISTÓRIA · 03/40Bernoulli p. 49 + contexto histórico: NASA

A questão que Kepler herdou

  • Problema anterior: modelos com movimentos circulares buscavam reproduzir a posição dos planetas no céu.
  • Dificuldade: os dados sobre Marte não se ajustavam perfeitamente às previsões.
  • Questão científica: devemos ajustar a observação ao modelo ou rever o modelo?

Do céu observado à lei matemática

01

Medir com precisão as posições dos astros.

02

Comparar essas posições com as previsões.

03

Identificar erros sistemáticos.

04

Propor uma nova geometria para as órbitas.

HISTÓRIA · 04/40Bernoulli p. 49 + contexto histórico NASA

Tycho Brahe: a precisão antes do telescópio

O observador

  • Tycho Brahe (1546–1601) construiu e aperfeiçoou grandes instrumentos de medida angular.
  • Reuniu décadas de observações das posições planetárias, especialmente as de Marte.
  • Seus registros se destacavam pela precisão alcançada antes da astronomia telescópica.
Sextante / quadranteEsquema conceitual (não uma réplica histórica)
HISTÓRIA · 05/40Aprofundamento histórico: NASA; St Andrews; Historia Mathematica

Tycho e Kepler: colaboração e conflito

1600Kepler se junta à equipe de Tycho

O matemático busca observações de precisão para investigar os movimentos planetários.

1600–1601Relação tensa

Havia discordâncias cosmológicas e tensões sobre a disponibilidade e o controle dos registros.

1601Morte de Tycho

Kepler dá continuidade à análise das observações e às tabelas planetárias.

1609Astronomia Nova

Publicadas as leis hoje chamadas de primeira e segunda.

1619Harmonices Mundi

Publicada a terceira lei, ligando período e tamanho orbital.

HISTÓRIA · 06/40Aprofundamento histórico: NASA Earth Observatory; INFN

Oito minutos de arco mudaram o modelo

Desvio que não pôde ser ignorado

Os melhores ajustes circulares de Kepler para Marte ainda apresentavam discrepâncias de aproximadamente 8 minutos de arco em determinadas posições.

8′ = 8/60° ≈ 0,133°

Isso parecia pequeno, mas era grande diante da precisão alcançada por Tycho.

Consequência metodológica

01

Aceitar os registros como evidências confiáveis.

02

Reconhecer que a hipótese circular não bastava.

03

Explorar uma órbita elíptica para Marte.

HISTÓRIA · 07/40Complemento: NASA

O que Kepler explicou — e o que não explicou

Kepler: leis empíricas

Organizou regularidades matemáticas a partir de observações e análises geométricas dos movimentos planetários.

Newton: explicação dinâmica posterior

Décadas depois, a gravitação universal e as leis do movimento explicaram por que essas relações aparecem.

Kepler descreve o movimento. Newton explica a interação gravitacional.
1ª LEI · 08/40Bernoulli pp. 49–50

Lei das Órbitas

Enunciado

Cada planeta descreve uma órbita elíptica em torno do Sol, que ocupa um dos focos da elipse.

Sol em F₁ — não no centro
PlanetaSol = F₁F₂CentroPeriélioAfélioarₚrₐ
1ª LEI · 09/40Bernoulli p. 50 + aprofundamento geométrico

Como reconhecer uma elipse?

Elementos geométricos

  • Dois focos F₁ e F₂: pontos internos à elipse.
  • Centro C: ponto médio entre os focos.
  • Semieixo maior a: metade do comprimento máximo da elipse.
  • Semieixo menor b: metade da largura perpendicular.
  • Distância focal c: medida do centro até cada foco.
a² = b² + c²
PlanetaSol = F₁F₂CentroPeriélioAfélioarₚrₐ
1ª LEI · 10/40Bernoulli p. 50

Periélio e afélio

Uma mesma órbita, distâncias diferentes

  • Periélio: ponto mais próximo do Sol. Distância rₚ.
  • Afélio: ponto mais afastado do Sol. Distância rₐ.
  • A soma dessas duas distâncias corresponde ao eixo maior.
a = (rₚ + rₐ) / 2
rₚ = a − c    |    rₐ = a + c
PlanetaSol = F₁F₂CentroPeriélioAfélioarₚrₐ
1ª LEI · 11/40Bernoulli · Frente A6 · pp. 49–52

Dedução algébrica das distâncias

01

a é a distância do centro C até o extremo da elipse.

02

c é a distância do centro C até o foco ocupado pelo Sol.

03

No periélio, subtraímos as distâncias: rₚ = a − c.

04

No afélio, somamos as distâncias: rₐ = a + c.

05

Somando: rₚ + rₐ = 2a. Portanto, a = (rₚ + rₐ)/2.

1ª LEI · 12/40Complemento geométrico; NASA

Excentricidade: o quanto a órbita se alonga

Definição matemática

e = c/a
  • e = 0 → círculo perfeito (os focos coincidem).
  • 0 < e < 1 → elipse.
  • Quanto maior e, mais alongada fica a órbita.
e = 0e ≈ 0,89
LAB 01 · 13/40Bernoulli · Frente A6 · pp. 49–52

Laboratório — altere a forma da órbita

Controle a excentricidade

Periélio (a = 1 UA)—
Afélio (a = 1 UA)—
Distância atual ao Sol—

Órbita geométrica, com escala radial ilustrativa.

1ª LEI · 14/40Bernoulli · Frente A6 · pp. 49–52

Exercício guiado — encontre a excentricidade

Em uma órbita elíptica, o semieixo maior vale 10 UA e a distância do centro até o foco vale 6 UA. Determine e, rₚ e rₐ.

Exibir resolução passo a passo
01

Pela definição: e = c/a = 6/10 = 0,6.

02

No periélio: rₚ = a − c = 10 − 6 = 4 UA.

03

No afélio: rₐ = a + c = 10 + 6 = 16 UA.

04

Verificação: (4 + 16)/2 = 10 UA, que coincide com a.

2ª LEI · 15/40Bernoulli p. 50

Lei das Áreas

Enunciado

O segmento imaginário que liga o Sol ao planeta varre áreas iguais em intervalos de tempo iguais.

A₁ = A₂ ⇔ Δt₁ = Δt₂
SolA₁A₂perto do Sollonge do SolA₁ = A₂ ⇔ Δt₁ = Δt₂
2ª LEI · 16/40Bernoulli p. 50

O que significa “varrer uma área”?

Raio orbital em movimento

01

Trace uma linha do Sol até a posição inicial do planeta.

02

Deixe o planeta avançar durante um intervalo Δt.

03

Trace outra linha do Sol até a posição final.

04

A região delimitada pelas linhas e pelo arco é a área varrida.

Δt₁ = Δt₂ ⇒ A₁ = A₂
SolA₁A₂perto do Sollonge do SolA₁ = A₂ ⇔ Δt₁ = Δt₂
2ª LEI · 17/40Bernoulli p. 50

Consequência física: velocidade variável

Movimento orbital não uniforme

  • Perto do periélio, o planeta percorre mais distância em cada segundo.
  • Perto do afélio, percorre menos distância no mesmo intervalo.
  • A rapidez é maior no periélio e menor no afélio.
vperiélio > vafélio
SolA₁A₂perto do Sollonge do SolA₁ = A₂ ⇔ Δt₁ = Δt₂
2ª LEI · 18/40Bernoulli · Frente A6 · pp. 49–52

Por que os setores têm formas diferentes?

Próximo do Sol

Raio orbital curto. Para varrer determinada área no mesmo tempo, a direção da linha Sol–planeta varia mais rapidamente.

Trajeto maior → rapidez maior.

Distante do Sol

Raio orbital longo. A mesma área pode ser varrida com uma variação angular menor.

Trajeto menor → rapidez menor.

LAB 02 · 19/40Bernoulli · Frente A6 · pp. 49–52

Laboratório — áreas iguais em tempos iguais

Controle o formato e o intervalo

Região próxima—
Região distante—

2ª LEI · 20/40Bernoulli · Frente A6 · pp. 49–52

O que a 2ª lei NÃO afirma?

Afirma

  • Áreas iguais ↔ intervalos iguais.
  • Maior rapidez nas proximidades do periélio.
  • Menor rapidez nas proximidades do afélio.

Não afirma

  • Velocidade constante na órbita.
  • Distâncias percorridas iguais em tempos iguais.
  • Uma trajetória circular para qualquer planeta.
2ª LEI · 21/40Bernoulli · Frente A6 · pp. 49–52

Exercício conceitual — onde a rapidez é maior?

Dois setores orbitais têm a mesma área. O primeiro está próximo ao periélio e o segundo próximo ao afélio. Os tempos correspondentes são:

3ª LEI · 22/40Bernoulli p. 51

Lei dos Períodos

Enunciado

O quadrado do período orbital é diretamente proporcional ao cubo do semieixo maior da órbita.

T² ∝ a³
T² / a³ = k

Unidades mais práticas

  • T: tempo para uma revolução completa.
  • a: semieixo maior da elipse.
  • Para planetas do Sistema Solar, usando anos e UA:
T² = a³

A Terra define o padrão de referência: T = 1 ano e a = 1 UA.

3ª LEI · 23/40Bernoulli p. 51 + valor astronômico aproximado

O que é 1 Unidade Astronômica (UA)?

Uma escala adequada ao Sistema Solar

  • 1 UA é aproximadamente a distância média Terra–Sol: 149,6 milhões de quilômetros.
  • O semieixo maior da órbita terrestre vale aproximadamente 1 UA.
  • Um planeta a 4 UA tem um semieixo maior quatro vezes o da Terra.
1 UA≈ 149,6 milhões de kmSolTerra
3ª LEI · 24/40Bernoulli · Frente A6 · pp. 49–52

Da proporcionalidade à equação

01

Dizer que T² é proporcional a a³ significa escrever T² = k·a³.

02

Isolando a constante: k = T²/a³.

03

A Terra completa uma volta em T = 1 ano e tem a = 1 UA.

04

Logo, k = (1 ano)²/(1 UA)³ = 1 ano²/UA³.

05

Expressando numericamente T em anos e a em UA, obtemos T² = a³.

T = √(a³)   |   a³ = T²
3ª LEI · 25/40Bernoulli · Frente A6 · pp. 49–52

Comparação entre dois planetas

Forma que funciona sem escolher k

T₁²/a₁³ = T₂²/a₂³
(T₂/T₁)² = (a₂/a₁)³

Para comparar planetas que orbitam o Sol, esta relação dispensa o valor numérico de k.

Exemplo

Planeta X com semieixo maior 4 vezes o da Terra.

01

a₂/a₁ = 4

02

(T₂/T₁)² = 4³ = 64

03

T₂/T₁ = √64 = 8

04

Se T₁ = 1 ano, então T₂ = 8 anos.

3ª LEI · 26/40Bernoulli p. 51; tabela com valores mais precisos aproximados

A tabela da Lei dos Períodos

Use a tabela para verificar a constância da razão T²/a³, com valores aproximados dos oito planetas.

Selecione um planeta

T²/a³ ≈ 1 ano²/UA³
Planetaa (UA)T (anos)T²/a³

Valores arredondados; pequenas variações refletem o arredondamento dos dados.

LAB 03 · 27/40Bernoulli · Frente A6 · pp. 49–52

Laboratório — calcule o período orbital

Experimente uma nova órbita

UA
Período previsto—
T²/a³—
T² = a³

Gráfico de T (anos) para a órbita proposta, com referência à Terra.

3ª LEI · 28/40Aprofundamento matemático com base na lei de Kepler

Verificação gráfica da terceira lei

Um gráfico que revela uma relação linear

Se colocarmos a³ no eixo horizontal e T² no vertical, os planetas aparecem próximos da reta T² = a³.

MarteTerraT² = a³a³ (UA³)T² (anos²)

Ilustração dos planetas interiores em escala esquemática; a relação da lei é exata no modelo ideal e aproximada para os valores arredondados.

3ª LEI · 29/40Bernoulli · Frente A6 · pp. 49–52

Exemplo resolvido — a órbita de Marte

Marte possui semieixo maior aproximado de 1,524 UA. Calcule seu período orbital em anos terrestres.

01

Utilize a 3ª lei em UA e anos: T² = a³.

02

Substitua: T² = (1,524)³ ≈ 3,540.

03

Extraia a raiz quadrada: T ≈ √3,540 ≈ 1,881 anos.

04

Compare com a tabela: cerca de 1,881 ano; a diferença provém do arredondamento.

T ≈ 1,88 ano ≈ 687 dias
3ª LEI · 30/40Bernoulli · Frente A6 · pp. 49–52

Exemplo resolvido — dado o período, encontre a órbita

Um planeta hipotético gira em torno do Sol em 8 anos. Qual é seu semieixo maior, em UA?

01

Pela 3ª lei: T² = a³.

02

Substitua: 8² = a³.

03

Calcule: 64 = a³.

04

Que número elevado ao cubo resulta em 64? 4³ = 64.

05

Logo, a = 4 UA.

T = 8 anos ⇒ a = 4 UA
3ª LEI · 31/40Bernoulli · Frente A6 · pp. 49–52

Pergunta rápida — distância e período

Se o semieixo maior da órbita for multiplicado por 4, mantendo o mesmo astro central, o período orbital será multiplicado por:

APLICAÇÃO · 32/40Bernoulli p. 52; representação esquemática

Cometa Halley: orbitando muito além dos planetas

Exemplo do material Bernoulli

  • O cometa Halley apresenta uma órbita altamente alongada.
  • Seu período orbital é de aproximadamente 75 anos no exercício do livro.
  • O livro informa uma distância de periélio de aproximadamente 0,59 UA.
SolAfélio
APLICAÇÃO · 33/40Exercício resolvido do Bernoulli p. 52

Halley, etapa 1 — quando ele voltaria?

No exercício do Bernoulli, a última passagem considerada ocorreu em 1986 e o período adotado foi de 75 anos.

01

Ano de referência: 1986.

02

Período do problema: 75 anos.

03

Próxima passagem aproximada = 1986 + 75 = 2061.

1986 + 75 = 2061
APLICAÇÃO · 34/40Bernoulli p. 52

Halley, etapa 2 — semieixo maior

Como todos os corpos considerados orbitam o Sol, aplicamos a forma normalizada da 3ª lei.

01

T² = a³.

02

T = 75 anos → a³ = 75² = 5 625.

03

A raiz cúbica de 5 625 é aproximadamente 17,8.

04

Portanto, a ≈ 17,8 UA.

a ≈ 17,8 UA
APLICAÇÃO · 35/40Bernoulli p. 52

Halley, etapa 3 — descubra o afélio

O livro informa rₚ ≈ 0,59 UA, e já calculamos a ≈ 17,8 UA. Agora use a relação da primeira lei.

01

a = (rₚ + rₐ)/2.

02

Multiplicando por 2: 2a = rₚ + rₐ.

03

Isolando: rₐ = 2a − rₚ.

04

Substituindo: rₐ = 2·17,8 − 0,59.

05

Resultado: rₐ ≈ 35,01 UA.

rₐ ≈ 35 UA
APLICAÇÃO · 36/40Aprofundamento: NASA

Onde mais usamos as leis hoje?

Satélites artificiais

Ajuste de trajetórias orbitais, períodos e altitudes em torno da Terra.

Sondas espaciais

Planejamento de transferências orbitais e encontros com outros corpos celestes.

Exoplanetas

O período observado ajuda a estimar o tamanho orbital, considerando a massa da estrela.

SÍNTESE · 37/40Bernoulli · Frente A6 · pp. 49–52

As três leis, lado a lado

1ª · Órbitas

Trajetória elíptica, Sol em um dos focos.

a = (rₚ + rₐ)/2

2ª · Áreas

Áreas iguais em tempos iguais; rapidez variável.

A₁ = A₂

3ª · Períodos

O período cresce com o tamanho da órbita.

T²/a³ = k
REVISÃO · 38/40Bernoulli · Frente A6 · pp. 49–52

Quiz de fechamento — identifique a lei

Ao se aproximar do Sol, um planeta passa a se mover mais rapidamente. Essa conclusão decorre diretamente de qual lei?

REVISÃO · 39/40Bernoulli · Frente A6 · pp. 49–52

Quatro questões para o caderno

Questão 1

Qual a diferença entre foco e centro de uma elipse? Onde está o Sol?

Questão 2

Por que a velocidade orbital é maior no periélio do que no afélio?

Questão 3

Um planeta orbita o Sol com a = 9 UA. Determine T em anos.

Questão 4

Um corpo tem rₚ = 3 UA e rₐ = 7 UA. Determine a.

Exibir gabarito comentado
01

Foco não é o centro. O Sol ocupa um dos dois focos.

02

Pela segunda lei, o planeta varre a mesma área em tempos iguais, percorrendo mais distância perto do Sol.

03

T² = 9³ = 729 → T = √729 = 27 anos.

04

a = (3 + 7)/2 = 5 UA.

FONTES · 40/40Fontes de referência

Fontes, créditos e próxima etapa

Base didática desta apresentação

Bernoulli Sistema de Ensino — Frente A, Capítulo 6, tópico 2: Leis de Kepler, páginas impressas 49 a 52 (páginas 6–9 do PDF enviado).

Aprofundamento histórico e aplicações

  • NASA Science: science.nasa.gov/solar-system/orbits-and-keplers-laws/
  • NASA Earth Observatory: science.nasa.gov/earth/earth-observatory/planetary-motion/
  • St Andrews (Dictionary of Scientific Biography): mathshistory.st-andrews.ac.uk/DSB/Kepler.pdf
  • INFN-LNF: w3.lnf.infn.it/tychos-data/

Professor Madison • Laboratório de Física • Fim do tópico “Leis de Kepler”.