ITA 2014 — questão 13 de Física

Enunciado em texto
Constantes dadas na prova (símbolos adotados nesta prova): : módulo da gravidade na superfície da Terra. : constante gravitacional universal. : velocidade da luz no vácuo. : constante de Planck reduzida.
Um sistema binário é formado por duas estrelas esféricas de respectivas massas e , cujos centros distam entre si, cada qual descrevendo um movimento circular em torno do centro de massa desse sistema. Com a estrela de massa na posição mostrada na figura, devido ao efeito Doppler, um observador da Terra detecta uma raia do espectro do hidrogênio, emitida por essa estrela, com uma frequência ligeiramente diferente da sua frequência natural . Considere a Terra em repouso em relação ao centro de massa do sistema e que o movimento das estrelas ocorre no mesmo plano de observação. Sendo as velocidades das estrelas muito menores que , assinale a alternativa que explicita o valor absoluto de . Se necessário, utilize para .
[Figura: duas circunferências tracejadas concêntricas em torno do centro de massa (um ponto). A estrela , maior, está sobre a circunferência menor, à esquerda do centro; a estrela , menor, está sobre a circunferência maior, à direita; as duas e o centro estão numa mesma reta horizontal, e a distância entre as estrelas é . O observador está abaixo, na vertical do centro de massa; o segmento de ao centro e o segmento de à estrela formam o ângulo .]
A)
B)
C)
D)
E)
(Enunciado e figura: Vestibular ITA 2014, prova de Física — ITA.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA).
Resolução comentada
O que a questão pede: o desvio relativo de frequência que o observador mede na luz da estrela , que depende da componente da velocidade dela na direção da linha de visada.
Passo 1 — o raio da órbita de . As duas giram em torno do centro de massa, com o mesmo período. A distância de ao centro de massa é
(a estrela mais leve fica mais longe do centro de massa, como na figura).
Passo 2 — a velocidade angular. A gravitação de é a resultante centrípeta de :
Passo 3 — a velocidade de .
Passo 4 — a componente na linha de visada. Na posição da figura, está na reta horizontal que passa pelo centro de massa, então sua velocidade (perpendicular ao raio) é vertical. A linha de até faz ângulo com a vertical. A componente que causa o Doppler é
Passo 5 — o Doppler para . A frequência fica multiplicada por , então
Conferindo por casos-limite: se , fica , a velocidade de um planeta em órbita circular de raio em torno de uma estrela parada. Certo.
⚠️ A armadilha: usar o seno do ângulo (alternativa D), por achar que a velocidade é horizontal, ou pôr no lugar de (alternativa C), trocando o raio de órbita de uma estrela pelo da outra.
A ideia em uma frase: no Doppler só conta a velocidade ao longo da linha de visada; e no sistema binário a estrela mais leve é a que corre mais.
Resposta: alternativa E ().
Vídeo em breve
A resolução em vídeo desta questão ainda não foi gravada. A explicação escrita acima está completa, passo a passo. Novos vídeos saem no canal do Professor Filatte.
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