Questão 63 caderno branco (9) ENEM 2015 PPL

Observações astronômicas indicam que no centro de nossa galáxia, a Via Láctea, provavelmente exista um buraco negro cuja massa é igual a milhares de vezes a massa do Sol. Uma técnica simples para estimar a massa desse buraco negro consiste em observar algum objeto que orbite ao seu redor e medir o período de uma rotação completa, T, bem como o raio médio, R, da órbita do objeto, que supostamente se desloca, com boa aproximação, em movimento circular uniforme. Nessa situação, considere que a força resultante, devido ao movimento circular, é igual, em magnitude, à força gravitacional que o buraco negro exerce sobre o objeto.

A partir do conhecimento do período de rotação, da distância média e da constante gravitacional, G, a massa do buraco negro é

Resolução em Texto

📘 Matérias Necessárias para a Solução da Questão:

  • FÍSICA – Gravitação e Dinâmica Circular:
    • Força gravitacional
    • Movimento circular uniforme
    • Relação entre força centrípeta e gravitacional
    • Constante gravitacional G
    • Manipulação algébrica de fórmulas

📔 Nível da Questão:

  • Difícil — exige articulação entre diferentes conceitos físicos (dinâmica + gravitação + MCU), manipulação de equações com grandezas universais e leitura atenta do contexto astronômico. Apesar de não exigir números, a resolução exige visão conceitual e algébrica bem estruturada.

✅ Gabarito:

  • ✅ Letra D

🎯 Tema/Objetivo Geral:

  • Estimação da massa de um corpo celeste (buraco negro) a partir da órbita de um corpo em movimento circular uniforme – Gravitação Universal.

🔷 Passo 1: Análise do Comando e Definição do Objetivo

📌 COMANDO DA QUESTÃO:
“A partir do conhecimento do período de rotação, da distância média e da constante gravitacional G, a massa do buraco negro é”

🔍 O QUE ESTÁ SENDO PEDIDO?
A fórmula que permite calcular a massa M do buraco negro com base nos dados observacionais da órbita de uma estrela.

🎯 OBJETIVO CRISTALINO:
Relacionar o movimento circular uniforme do corpo celeste com a força gravitacional para obter uma expressão que isole a massa do corpo central (buraco negro).

❓ PERGUNTA DE ATENÇÃO:
Você percebeu que a força gravitacional atua como força centrípeta para manter o objeto em órbita?

💬 DÚVIDA COMUM:
–> “Posso usar a fórmula F = m · a aqui mesmo que o movimento seja astronômico?”
📌 Sim! A física clássica se aplica desde que o movimento seja circular e uniforme. Nesse caso, a força resultante é centrípeta e é provocada pela gravidade.


🔷 Passo 2: Explicação de Conceitos Necessários

✔️ Força Gravitacional (Newton):
Dois corpos se atraem com força:
F = G · M · m / R²
Onde:

  • M = massa do buraco negro
  • m = massa do corpo em órbita
  • R = raio da órbita
  • G = constante gravitacional

✔️ Força Centrípeta:
Corpo em movimento circular uniforme precisa de uma força dirigida para o centro:
F = m · v² / R

✔️ Velocidade no MCU:
v = 2πR / T
(T é o período)

💡 A ideia central da questão é igualar a força centrípeta à força gravitacional, pois ambas são a mesma força aqui, e assim obter uma fórmula para M.


🔷 Passo 3: Tradução e Interpretação do Texto

📌 A questão informa:

  • Um objeto (como uma estrela) orbita o buraco negro em movimento circular uniforme
  • Sabemos o raio médio da órbita (R)
  • Sabemos o período de rotação (T)
  • Sabemos a constante G

Nosso objetivo é usar essas informações para obter uma fórmula para a massa M do buraco negro, ou seja:
M = ?


🔷 Passo 4: Desenvolvimento do Raciocínio e Cálculos

Passo 1 – Velocidade do corpo em órbita:

A distância percorrida em uma volta completa é:
ΔS = 2πR
Tempo: T
Logo:
v = 2πR / T

Passo 2 – Força centrípeta:

F_c = m · v² / R

Substituindo v:
F_c = m · (2πR / T)² / R
F_c = m · (4π²R² / T²) / R
F_c = m · 4π²R / T²

Passo 3 – Força gravitacional:

F_g = G · M · m / R²

Passo 4 – Igualando as forças (pois é a força gravitacional que faz o corpo girar):

F_c = F_g

m · 4π²R / T² = G · M · m / R²

⚠️ Podemos cortar o m dos dois lados:

4π²R / T² = G · M / R²

Multiplicando ambos os lados por R²:

4π²R³ / T² = G · M

Isolando M:

M = 4π²R³ / (G · T²)


🔷 Passo 5: Análise das Alternativas e Resolução

A) 4πR² / GT²
❌ Incorreto – erro no expoente de R

B) πR⁵ / GT²
❌ Incorreto – erro grosseiro de expoente

C) R³ / 2GT²
❌ Incorreto – falta o fator 4π²

D) 4π²R³ / GT²
✅ Correta – é exatamente a equação que encontramos

E) π²R³ / GT²
❌ Incorreto – faltou o fator 4 no numerador


🔷 Passo 6: Conclusão e Justificativa Final

✅ A massa do buraco negro é estimada pela equação:

M = (4π² · R³) / (G · T²)

Essa fórmula foi obtida igualando a força centrípeta (movimento circular) à força gravitacional (atração do buraco negro). A alternativa correta é a letra D.

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