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A Lua: a física do nosso satélite

Ela está a 1,28 segundo-luz daqui, puxa o mar duas vezes mais que o Sol e se afasta 3,8 cm por ano. Tudo isso é medido, e dá para refazer a conta.

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A Lua é um corpo de rocha com 1,23% da massa da Terra, a 384.400 km daqui. Dessa frase saem o seu peso lá, a maré aqui, o mês do calendário e o eclipse.

A face da Lua voltada para a Terra, com os mares escuros e as crateras claras
A face que vemos, montada com milhares de fotos da sonda Lunar Reconnaissance Orbiter. As manchas escuras são os mares, planícies de lava antiga. As claras são terras altas cheias de cratera. Imagem da NASA, domínio público.
7,346 × 10²² kgmassa, 1,23% da Terra
1.737,4 kmraio, 27,3% do da Terra
3.344 kg/m³densidade, contra 5.513 da Terra
384.400 kmdistância média até nós
1,62 m/s²gravidade na superfície
27,32 diasuma volta em torno da Terra

Quanto você pesaria lá

A gravidade na superfície de qualquer bola de massa M e raio R sai de uma conta só. Não precisa saber nada sobre a Lua além desses dois números.

cálculo completo · a gravidade na superfície da Lua

  1. O que eu quero saber

    Quanto marca uma balança na Lua para alguém de 80 kg.

  2. O que eu já sei
    • g = GM/R²
    • G = 6,674 × 10⁻¹¹ N·m²/kg²
    • M = 7,346 × 10²² kg  ·  R = 1.737,4 km
  3. Passo 1 · a gravidade

    g = 6,674×10⁻¹¹ · 7,346×10²² ÷ (1,7374×10⁶)² = 1,624 m/s²

  4. Passo 2 · comparar com a Terra

    9,82 ÷ 1,624 = 6,05 → a gravidade lá é 1/6 da daqui

  5. Passo 3 · a balança

    80 · 1,624 = 129,9 N = 13,3 kgf

quem tem 80 kg aqui marca 13,3 kgf na balança lá, e continua com 80 kg de massa

Confere: a Lua tem 1,23% da massa da Terra e 27,3% do raio. Na razão M/R², isso dá 0,0123 ÷ 0,273² = 0,165, que é 1/6,05 ✓. Massa pequena puxa pouco, mas raio pequeno aproxima da superfície e ajuda de volta.

A pista da densidade

Repare num número da tabela: a Lua é bem menos densa que a Terra, 3.344 contra 5.513 kg/m³. A Terra tem um núcleo grande de ferro. A Lua quase não tem.

É essa diferença que sustenta a explicação aceita hoje para a origem dela: um corpo do tamanho de Marte bateu na Terra jovem, e o material arrancado, vindo sobretudo do manto e não do núcleo, se juntou em órbita. Uma Lua feita de manto explica a densidade baixa, a composição parecida com a da crosta terrestre e a falta de ferro.

Por que ela mostra sempre a mesma face

A Lua gira em torno do próprio eixo. Só que ela leva o mesmo tempo para dar uma volta em si mesma e uma volta em torno da Terra: 27,32 dias. O nome disso é rotação síncrona, e o resultado é que a mesma face fica virada para cá.

Não foi coincidência. A maré que a Terra levanta na rocha da Lua freou a rotação dela ao longo de milhões de anos até travar nesse compasso. A Lua faz o mesmo com a Terra, e é por isso que o nosso dia está aumentando.

Face visível da Lua, com grandes manchas escuras
A face de cá: cheia de mares escuros, as planícies de lava.
Face oculta da Lua, quase sem manchas escuras e coberta de crateras
A face de lá: quase sem mares, crosta mais grossa, cratera em cima de cratera. Só foi vista em 1959, por sonda.

As duas faces são bem diferentes, e isso é fato medido, não impressão. A face oculta tem crosta mais espessa e quase nenhuma planície de lava. O que ela não é: escura. Ela recebe tanto sol quanto a outra, só que na hora em que aqui é lua nova.

Como a distância é medida: com um espelho deixado lá

A Apollo 11 deixou na superfície um painel de retrorrefletores, um conjunto de prismas que devolve a luz exatamente na direção de onde ela veio. Os observatórios apontam um laser para ele e cronometram a volta.

O painel de retrorrefletores da Apollo 11 pousado no solo lunar, com o módulo lunar ao fundo
O refletor da Apollo 11, instalado em julho de 1969 e usado até hoje. É por causa dele que a distância Terra-Lua é conhecida com precisão de centímetros. Foto da NASA, domínio público.

cálculo completo · o tempo do laser e o afastamento da Lua

  1. O que eu quero saber

    Quanto tempo a luz leva para ir e voltar, e o que significam os 3,8 cm por ano que as medições mostram.

  2. O que eu já sei
    • c = 299.792.458 m/s
    • distância média = 384.400 km
  3. Passo 1 · ida

    384.400.000 ÷ 299.792.458 = 1,282 s

  4. Passo 2 · ida e volta

    2 · 1,282 = 2,56 s entre disparar o laser e ver o retorno

  5. Passo 3 · o que 3,8 cm/ano acumula

    0,038 · 1.000.000 = 38.000 m = 38 km por milhão de anos

o eco do laser volta em 2,56 segundos, e a Lua se afasta 3,8 cm por ano, o mesmo que uma unha cresce

Confere: 384.400 km dá para empilhar 30,2 Terras no caminho (12.742 km cada). E o afastamento não é a Lua fugindo: é o atrito das marés passando rotação da Terra para a órbita dela, o que empurra a Lua para fora e alonga o nosso dia.

A maré é da Lua, embora o Sol puxe mais forte

Aqui está a parte que quase todo mundo erra. O Sol puxa a Terra 179 vezes mais forte que a Lua. Mesmo assim, a maré é comandada pela Lua. Os dois fatos convivem porque quem levanta a maré é a diferença de força entre o lado de cá e o lado de lá do planeta. O Sol puxa muito mais forte, e puxa quase igual nos dois lados, porque está longe demais para a largura da Terra fazer diferença. A Lua puxa fraco, e puxa bem diferente de um lado para o outro, porque está perto.

Essa diferença cai com o cubo da distância, e não com o quadrado. O Sol está 389 vezes mais longe, e o cubo disso engole a vantagem de massa dele.

cálculo completo · quem manda na maré

  1. O que eu já sei
    • atração: F ∝ M/d²
    • efeito de maré: ΔF ∝ M/d³
    • Sol: 1,989×10³⁰ kg a 149,6 milhões de km
    • Lua: 7,346×10²² kg a 384.400 km
  2. Passo 1 · quem puxa mais

    (M☉/d☉²) ÷ (M☾/d☾²) = 179 → o Sol vence fácil

  3. Passo 2 · quem estica mais

    (M☾/d☾³) ÷ (M☉/d☉³) = 2,18 → a Lua vence

o Sol puxa 179× mais forte, e ainda assim a maré da Lua é 2,2× a do Sol

Confere na praia: quando Sol e Lua se alinham, na lua nova e na cheia, os dois efeitos somam e dá a maré de sizígia, a mais alta do mês. Quando ficam a 90°, na lua crescente e na minguante, um desconta o outro e dá a maré de quadratura, a mais fraca. Duas marés altas por dia, uma de cada lado do planeta.

As fases, e por que o mês tem 29,5 dias e não 27,3

Fase é geometria pura: metade da Lua está sempre iluminada pelo Sol, e o que muda é quanto dessa metade fica virado para nós. Mexa no desenho.

A Lua dando a volta

à esquerda, visto de cima, com o Sol iluminando de um lado só · à direita, a Lua como você vê daqui

E aqui aparece um detalhe que confunde muita gente: a Lua completa a volta em 27,32 dias, mas de uma lua cheia à seguinte passam 29,53 dias. A diferença existe porque a Terra também andou na órbita dela em volta do Sol, e a Lua precisa de um pedaço a mais de volta para reencontrar o mesmo alinhamento.

cálculo completo · o mês que o calendário usa

  1. O que eu já sei
    • volta da Lua em torno da Terra: 27,3217 dias
    • volta da Terra em torno do Sol: 365,2564 dias
  2. Passo 1 · trabalhar com voltas por dia

    1/S = 1/27,3217 − 1/365,2564

  3. Passo 2 · a conta

    1/S = 0,0366 − 0,0027 = 0,033863 → S = 29,5306 dias

o mês das fases é de 29,53 dias, e é dele que vem o mês do calendário

Confere: a tabela da NASA traz 29,5306 dias para o mês sinódico. A conta fecha na quarta casa ✓

Por que o eclipse total existe

Esta é a coincidência mais bonita do céu. O Sol tem 401 vezes o diâmetro da Lua, e está 389 vezes mais longe. Os dois números quase se cancelam, então os dois discos aparecem quase do mesmo tamanho no céu.

Sequência do eclipse solar de 2017: o disco do Sol sendo coberto até a totalidade e depois reaparecendo
O eclipse total de 21 de agosto de 2017, fotografado em sequência. No meio, a totalidade: o disco da Lua cobre o do Sol e sobra a coroa. Foto da NASA, domínio público.

cálculo completo · o tamanho aparente dos dois

  1. Passo 1 · a Lua no céu

    2 · arctg(3.474,8 ÷ 2 ÷ 384.400) = 0,518°

  2. Passo 2 · o Sol no céu

    2 · arctg(1.392.700 ÷ 2 ÷ 149.598.000) = 0,533°

  3. Passo 3 · a razão

    0,518 ÷ 0,533 = 0,97

os dois discos têm quase o mesmo tamanho no céu, meio grau cada um, o tamanho de uma ervilha a um braço de distância

Confere: a órbita da Lua é elíptica, então esse 0,97 varia. Quando ela está mais longe, o disco dela fica menor que o do Sol e sobra um anel de luz: é o eclipse anular. E como ela se afasta 3,8 cm por ano, um dia o eclipse total deixa de existir.

O que se vê de lá

A Terra surgindo acima do horizonte lunar, vista da nave Apollo 8
Nascer da Terra, fotografado da Apollo 8 em dezembro de 1968. Repare no céu: preto, mesmo com o Sol aceso. Sem atmosfera para espalhar a luz, não existe céu azul nem crepúsculo. Foto da NASA, domínio público.

A falta de atmosfera explica quase tudo o que parece estranho nas fotos da Apollo: a sombra dura sem penumbra, o céu preto de dia, nenhuma estrela visível nas fotos tiradas com a exposição ajustada para o solo iluminado, e a pegada que continua marcada porque não há vento nem chuva para apagar.

A marca de uma bota no solo fino e cinza da Lua
A pegada de Buzz Aldrin, julho de 1969. O solo é regolito, pó de rocha moído por bilhões de anos de impactos, com grãos angulosos que se encaixam e seguram a forma. Foto da NASA, domínio público.
o que se ouve por aí

Que a Lua tem um lado escuro. Que ela fica maior perto do horizonte. Que na Lua não há gravidade, e por isso o astronauta flutua. Que a Lua é branca. Que a maré é o Sol puxando a água.

o que a medição diz

Existe face oculta, não lado escuro: os dois lados recebem sol igual. O tamanho no horizonte é ilusão de ótica, o diâmetro medido é o mesmo. A gravidade lá é 1,62 m/s², um sexto da daqui, e é por isso que o astronauta dá aqueles saltos em vez de flutuar. A superfície reflete cerca de 12% da luz que recebe, mais perto do asfalto que do papel. E a maré é o efeito de gradiente, 2,2 vezes maior pela Lua que pelo Sol.

pra treinar
  1. a gravidade em Marte, com M = 6,417×10²³ kg e R = 3.389,5 km
  2. quanto marca a balança lá, para 80 kg
  3. quanto tempo a luz leva para ir daqui ao Sol, a 149,6 milhões de km
  4. quantos anos leva para a Lua se afastar 1 metro
  5. se a Lua estivesse ao dobro da distância, quantas vezes menor ficaria o efeito de maré dela
ver as respostas1 · g = 6,674×10⁻¹¹ · 6,417×10²³ ÷ (3,3895×10⁶)² = 3,73 m/s² · 2 · 80 · 3,73 = 298 N = 30,4 kgf · 3 · 149.598.000 ÷ 299.792,458 = 499 s = 8,3 min · 4 · 100 ÷ 3,8 = 26,3 anos · 5 · o efeito cai com o cubo: 2³ = 8 vezes menor
pra levar

Dois números, massa e raio, dão a gravidade. Distância mais o relógio do laser dão os 384.400 km e os 3,8 cm por ano. Massa dividida pelo cubo da distância decide a maré, e é por isso que a Lua ganha do Sol. E uma coincidência de tamanho aparente, 401 contra 389, é o que nos dá eclipse total, por enquanto.

de onde vieram os números

Espaço · aula 01 · contas refeitas e conferidas contra as tabelas da NASA; fotos em domínio público