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Física Universitária · Feynman Vol. I · Cap. 7

A Teoria da Gravitação

Esta aula acompanha o capítulo 7 das Feynman Lectures, sobre a gravitação. As primeiras simulações partem das três leis de Kepler, a elipse, as áreas e a relação entre períodos e distâncias, e chegam por elas a uma força central que cai com o inverso do quadrado da distância. As seguintes põem essa força à prova na queda da Lua, nas estrelas duplas e numa balança de laboratório, até chegar ao ponto em que a teoria de Newton deixa de bastar. O capítulo original pode ser lido de graça no site do Caltech.

  1. 1A elipse
  2. 2O expoente
  3. 3A queda da tangente
  4. 4As áreas
  5. 5Estrela dupla
  6. 6Rømer
  7. 7Cavendish
  8. 8Fraqueza e relatividade
PASSO 1

O que é exatamente uma elipse?

A bancada começa com dois alfinetes a 10 cm um do outro e um laço de barbante de 30 cm passado em volta deles. Esticado pela ponta do lápis, o laço forma um triângulo em que o lado entre os alfinetes nunca muda, e por isso os outros dois lados, as distâncias \(r_1\) e \(r_2\) do lápis a cada alfinete, somam sempre 30 − 10 = 20 cm. A curva que o lápis desenha sob essa restrição é uma elipse, e os alfinetes marcam os seus dois focos.

Metade daquela soma é o semieixo maior, \(a = 10\) cm, a distância do centro até a ponta mais afastada da curva. A distância \(c\) de cada foco ao centro, medida em unidades de \(a\), é a excentricidade \(e = c/a\), que vale 0 quando os alfinetes coincidem e o lápis desenha um círculo e se aproxima de 1 quando a distância \(2c\) entre eles se aproxima de \(2a\) e a elipse se achata num segmento. No alto da curva o lápis fica à mesma distância \(a\) dos dois alfinetes, e o triângulo retângulo formado ali dá o semieixo menor, \(b = a\sqrt{1-e^2}\), ou 8,66 cm com \(e = 0{,}5\).

Kepler chegou à elipse no começo do século XVII, ao tentar ajustar a órbita de Marte às observações de Tycho Brahe. O detalhe que mais costuma surpreender é que o Sol não ocupa o centro da curva, mas um dos focos, e que no outro foco não há nada. A construção com alfinetes e barbante é antiga e aparece também no Feynman; a vantagem dela é transformar uma definição geométrica num gesto que qualquer um pode repetir na mesa.

O cenário Áreas põe o Sol no foco da direita e divide cada volta do planeta em oito intervalos de tempo iguais. Cada intervalo deixa um setor colorido entre o Sol e o arco percorrido: perto do Sol os setores são curtos e abertos em leque, do lado oposto são compridos e finos, e todos têm 34,0 cm². Essa é a segunda lei de Kepler, a de que a reta que liga o Sol ao planeta varre áreas iguais em tempos iguais, e ela obriga o planeta a andar mais depressa quando está perto do Sol.

A razão entre a velocidade no periélio, o ponto mais próximo do Sol, e a velocidade no afélio, o mais afastado, é \((1+e)/(1-e)\), ou 3,00 com \(e = 0{,}5\). A órbita da Terra, com \(e = 0{,}0167\), tem o semieixo menor apenas 0,014 % mais curto que o maior, uma diferença que na escala da bancada seria de 14 µm, mais fina que o traço do lápis. O Sol, no entanto, fica 1,7 mm fora do centro, e a velocidade da Terra varia uns 3 % ao longo do ano. Mercúrio, com 0,2056, já tem uma razão de velocidades de 1,52, e o cometa de Halley, com 0,967, passa pelo periélio quase 60 vezes mais depressa que pelo afélio.

\(r_1 + r_2 = 2a\)\(b = a\sqrt{1-e^2}\)\(\dfrac{dA}{dt} = \text{constante}\)\(r_1\) e \(r_2\) são as distâncias de um ponto da elipse aos dois focos, \(a\) e \(b\) são os semieixos maior e menor, \(e = c/a\) é a excentricidade e \(A\) é a área varrida pela reta que liga o Sol ao planeta.

No Feynman: §7-2 Kepler’s laws ↗

Para conversar

  • No cenário Barbante, leve a excentricidade de 0 a 0,9. O que acontece com o comprimento do laço? E com a soma \(r_1 + r_2\)?
  • Aperte Terra no cenário Áreas. Dá para ver que a órbita não é um círculo? E que o Sol está fora do centro?
  • Com Halley e 12 intervalos por volta, quantos setores ficam perto do Sol? O que isso diz sobre o tempo que o cometa passa longe dele?
  • Se a velocidade no periélio é três vezes a do afélio, qual é a razão entre as distâncias ao Sol nesses dois pontos?
Cenário
Órbitas
r1 + r2
Velocidade periélio/afélio
Área de cada setor
PASSO 2

Por que 1/r² e não 1/r³?

A bancada põe os oito planetas num gráfico com os dois eixos em escala logarítmica, o semieixo maior \(a\) em unidades astronômicas e o período \(T\) em anos. Nessa escala uma lei de potência \(T \propto a^p\) vira uma reta de inclinação \(p\), e os oito pontos, de Mercúrio, a 0,387 UA e 88 dias, a Netuno, a 30 UA e 165 anos, caem sobre uma reta de inclinação 1,500. Dito de outro modo, \(T^2/a^3\) é o mesmo para todos eles, com diferenças de no máximo 0,2 %, e essa é a terceira lei de Kepler.

A reta vermelha mostra o que produziria uma força com outra dependência da distância. Suponha que a força por unidade de massa a uma distância \(r\) do Sol seja \(k/r^n\) e que a órbita seja um círculo. A aceleração centrípeta \(v^2/r\) tem de ser igual a essa força, de modo que \(v^2 = k/r^{n-1}\), e o período \(T = 2\pi r/v\) cresce como \(r^{(n+1)/2}\). Com \(n = 3\), o valor inicial da bancada, a reta passa pela Terra, mas prevê 904 anos para Netuno, mais de cinco vezes o período medido.

Só um expoente põe a reta sobre os planetas: a inclinação \((n+1)/2 = 3/2\) exige \(n = 2\), e com ele o erro no período de Netuno cai para 0,06 %. Uma força que caísse como \(1/r\) daria aos planetas externos voltas curtas demais, e uma que caísse como \(1/r^3\), voltas longas demais. Esse argumento, com as órbitas tomadas como círculos, é provavelmente o caminho mais curto entre a terceira lei de Kepler e a força do inverso do quadrado, e foi por ele que Newton começou; a prova de que a mesma força produz elipses exatas, com a lei valendo para o semieixo maior, veio depois e dá bem mais trabalho. O Feynman menciona o resultado sem fazer a conta, que aqui cabe em duas linhas.

A conta não diz nada sobre o valor de \(k\), que só fixa a altura da reta. As luas de Júpiter seguem a mesma lei, com a mesma inclinação de 3/2, mas sobre uma reta deslocada para cima, porque o \(k\) de Júpiter é menor e a mesma distância leva mais tempo para ser percorrida. Esse deslocamento mede a razão entre as massas de Júpiter e do Sol, perto de um milésimo, e a aula de ensino médio sobre gravitação faz essa pesagem com as próprias luas.

\(\dfrac{v^2}{r} = \dfrac{k}{r^n}\)\(T = 2\pi\,\dfrac{r^{(n+1)/2}}{\sqrt{k}}\)\(T^2 \propto a^3 \iff n = 2\)\(k/r^n\) é a força por unidade de massa a uma distância \(r\) do Sol e \(v\) é a velocidade na órbita circular. No gráfico log-log, a reta do modelo tem inclinação \((n+1)/2\).

No Feynman: §7-4 Newton’s law of gravitation ↗

Para conversar

  • Mova \(n\) devagar de 1 a 4 e observe por qual planeta a reta sempre passa. Por que justamente por ele?
  • Com \(n = 2{,}1\), de quanto é o erro para Netuno? Que precisão nos períodos bastaria para distinguir 2 de 2,1?
  • Se a força por unidade de massa não dependesse da distância, com \(n = 0\), que inclinação teria a reta?
  • Por que um gráfico com eixos lineares mostraria mal os quatro planetas internos?
Inclinação dos planetas
Inclinação do modelo
Erro em T de Netuno
PASSO 3

Para onde cai quem está em órbita?

A bancada põe um ponto num círculo de 1 m de raio, dando uma volta por segundo, o que corresponde a uma velocidade \(v = 2\pi\) m/s, ou 6,28 m/s. A reta tracejada é a tangente ao círculo no ponto de partida. Depois de \(\Delta t = 0{,}05\) s, um vigésimo de volta, o ponto andou 18° pelo círculo e está 4,89 cm abaixo da tangente, medidos na direção do centro. Esse afastamento \(x\) é o que a bancada usa para medir a aceleração.

Medir o afastamento a partir da tangente, e não do ponto de partida, é a escolha que a inércia impõe. Sem força nenhuma, o ponto seguiria pela reta tracejada com a mesma velocidade, e a força só aparece na diferença entre essa reta e o caminho de fato. Na bancada essa diferença aponta sempre para o centro do círculo, e ao longo da tangente o ponto não precisa de empurrão algum. O princípio da inércia vem de Galileu; a leitura de cada desvio da reta como a marca de uma força é de Newton.

A geometria do afastamento sai do teorema de Pitágoras. Chamando de \(S\) o avanço do ponto ao longo da tangente, o centro, a posição final e o pé da perpendicular formam um triângulo retângulo de catetos \(S\) e \(R - x\) e hipotenusa \(R\), de modo que \(x(2R - x) = S^2\) exatamente. Num intervalo curto, \(x\) é muito menor que \(2R\) e sobra \(x \approx S^2/2R\), um afastamento que cresce com o quadrado do avanço. Na bancada, \(S = 30{,}9\) cm e \(S^2/2R\) dá 4,77 cm, uns 2 % abaixo do valor exato.

Um afastamento que cresce com o quadrado do tempo tem cara de queda. Como \(S \approx v\,\Delta t\), temos \(x \approx v^2\Delta t^2/2R\), e a comparação com a queda a partir do repouso, \(x = \tfrac12 a\,\Delta t^2\), dá uma aceleração em direção ao centro \(a = v^2/R\), 39,478 m/s² na bancada. Com \(\Delta t = 0{,}05\) s a estimativa \(2x/\Delta t^2\) fica em 39,155 m/s², 0,8 % abaixo; com 0,001 s as duas coincidem nos cinco algarismos mostrados, porque o erro cai com \(\Delta t^2\).

A conta supõe que o avanço ao longo da tangente e a queda em direção ao centro se somam sem interferir um no outro. É a mesma independência que, na aula de ensino médio sobre lançamentos, faz uma bola lançada na horizontal chegar ao chão junto com outra apenas solta. A diferença é que no círculo a direção da queda gira com o ponto, e a cada instante ela recomeça a partir de uma tangente nova. O resultado é a aceleração centrípeta de sempre, obtida aqui só com o quanto o corpo se afasta da reta, e é essa a conta que o passo seguinte aplica à Lua.

\(x \approx \dfrac{S^2}{2R}\)\(x = \tfrac12\,a\,\Delta t^2 \Rightarrow a = \dfrac{v^2}{R}\)\(R\) é o raio do círculo, \(v\) a velocidade, \(S\) o avanço ao longo da tangente durante \(\Delta t\) e \(x\) o afastamento da tangente em direção ao centro. A relação exata é \(x(2R - x) = S^2\).

No Feynman: §7-3 Development of dynamics ↗

Para conversar

  • Leve \(\Delta t\) até 0,3 s. Por que \(2x/\Delta t^2\) fica tão abaixo de \(v^2/R\)? O que muda quando o ponto passa de um quarto de volta?
  • Quando \(\Delta t\) cai pela metade, quanto cai \(x\)? E o erro relativo?
  • Na lupa, a escala vertical é mais ampliada que a horizontal. Por que a ampliação precisa crescer à medida que \(\Delta t\) diminui?
  • Se a velocidade dobrasse no mesmo círculo, quanto o ponto se afastaria da tangente no mesmo \(\Delta t\)?
Afastamento x
2x/Δt²
v²/R
Erro relativo
PASSO 4

Áreas iguais exigem força apontada para o Sol?

A bancada solta um planeta a uma unidade de distância do Sol, com velocidade 15 % maior que a de uma órbita circular, e calcula o movimento em passos curtos, com uma força que aponta sempre para o Sol e cai com o quadrado da distância. A órbita sai uma elipse de excentricidade 0,32, e a cada oitavo de volta a bancada pinta um setor entre o Sol e o arco percorrido. A taxa com que a reta Sol–planeta varre área, medida a cada passo, fica em 0,000 % de variação, volta após volta.

A razão está num triângulo. Num intervalo curto \(\Delta t\) o planeta sai da posição \(\vec r\) e se desloca \(\vec v\,\Delta t\), e a área varrida é a metade de \(|\vec r \times \vec v|\,\Delta t\). Só a parte do deslocamento perpendicular ao raio conta nesse produto. Um puxão dirigido ao Sol acrescenta à velocidade um pedaço paralelo a \(\vec r\), que desaparece no produto vetorial, e o triângulo seguinte varre a mesma área; já uma componente da força perpendicular ao raio aumenta ou diminui essa área.

O botão Ligar empurrão tangencial acrescenta essa componente, a favor do movimento e igual a uma fração da atração. Com 2 %, a taxa de áreas sobe perto de 11 % por volta, os setores incham e a órbita se abre em espiral. Lida ao contrário, a conta é o argumento de Newton: se a área varrida cresce na mesma proporção do tempo, como Kepler mediu, a força não tem componente tangencial e aponta, a cada instante, para o Sol. A lei das áreas não diz nada sobre como essa força varia com a distância, e essa parte coube ao passo 2.

O cenário Lua põe o resultado do passo 3 para trabalhar. A Lua percorre um círculo de \(3{,}844\cdot10^8\) m em 27,32 dias, o que lhe dá uma aceleração em direção à Terra de \(4\pi^2 r_L/T_L^2 = 2{,}72\cdot10^{-3}\) m/s². Essa distância vale 60,3 raios terrestres, e os 9,81 m/s² da superfície divididos por \(60{,}3^2\) dão \(2{,}69\cdot10^{-3}\) m/s². A aula de ensino médio sobre gravitação faz essa comparação com números redondos; aqui ela pode responder a uma pergunta a mais.

A razão entre as duas acelerações medidas, a da superfície e a da Lua, é 3602, e a razão entre as distâncias ao centro da Terra é 60,34. Uma força que caísse como \(1/r^n\) daria \(60{,}34^n = 3602\), ou seja, \(n = 1{,}997\). Como o expoente sai de um logaritmo, o 1 % de diferença entre as acelerações mexe só na terceira casa, e o resultado é 2 com uma folga de uns três milésimos. O teste da Lua mede o expoente por um caminho que não passa pelos planetas, com outro corpo central, e chega ao mesmo 2 do passo 2. Com \(n = 1\) a Lua precisaria cair com 0,163 m/s², 60 vezes mais, e com \(n = 3\), com \(4{,}5\cdot10^{-5}\) m/s², 60 vezes menos.

Os 1,1 % que separam as duas barras têm explicação provável. A Terra não fica parada: ela e a Lua giram em torno do centro de massa comum, e a conta correta troca a massa da Terra pela soma das duas, 1,2 % maior, já que a Lua tem 1/81 da massa da Terra. O que sobra, uns poucos décimos de por cento, pode vir de efeitos como a excentricidade da órbita e a atração do Sol.

\(\dfrac{dA}{dt} = \tfrac12\,|\vec r \times \vec v|\)\(\dfrac{g}{60^2} \approx \dfrac{4\pi^2 r_L}{T_L^2}\)\(A\) é a área varrida pela reta que liga o Sol ao planeta, \(\vec r\) e \(\vec v\) são a posição e a velocidade do planeta, \(g\) é a aceleração na superfície da Terra, e \(r_L\) e \(T_L\) são o raio e o período da órbita da Lua, a cerca de 60 raios terrestres.

No Feynman: §7-4 Newton’s law of gravitation ↗

Para conversar

  • Ligue o empurrão com 1 % e depois com 5 %. Depois de uma volta, a taxa de áreas cresceu na mesma proporção do empurrão?
  • Sem testar na bancada: e se o empurrão fosse contra o movimento? O que aconteceria com a órbita e com a taxa de áreas?
  • No cenário Lua, a Terra aparece no tamanho certo. Quantas Terras caberiam enfileiradas até a Lua?
  • Que expoente o teste da Lua indicaria se a medida de \(g\) estivesse 5 % errada?
Cenário
Taxa de áreas / inicial
Lua: órbita / g(R/r)², 10⁻³ m/s²
Diferença na Lua
Expoente pela Lua
PASSO 5

Como pesar uma estrela dupla?

A bancada põe duas estrelas presas uma à outra pela gravidade, com 2 massas solares no total e um semieixo maior de 10 UA na órbita de uma em relação à outra. Nenhuma das duas fica parada no meio. Ambas giram em torno de um ponto entre elas, o centro de massa, marcado com uma cruz, e cada uma descreve uma elipse com um foco nesse ponto. As duas elipses têm a mesma excentricidade e o mesmo período, mas tamanhos diferentes, e as estrelas ficam sempre em lados opostos.

O tamanho de cada elipse depende da massa. Como o centro de massa não se move, a estrela mais pesada tem de ficar mais perto dele, e os semieixos \(a_1\) e \(a_2\) das duas elipses estão na razão inversa das massas. Com a estrela 2 tendo 0,6 da massa da estrela 1, a elipse da estrela 1 sai com 3,75 UA e a da estrela 2 com 6,25 UA. A soma das duas é o semieixo \(a = 10\) UA da órbita relativa, a que se veria olhando uma estrela a partir da outra.

A massa total vem da terceira lei de Kepler. No passo 2 o período de uma órbita era \(T = 2\pi a^{3/2}/\sqrt{k}\), e numa estrela dupla \(k = G(M_1 + M_2)\), porque o movimento relativo é o de um corpo atraído pelas duas massas somadas. Com \(a\) em UA, \(T\) em anos e as massas em massas solares, a Terra em volta do Sol vira a régua, com \(a = T = M = 1\), e as constantes somem da conta. Na bancada, 10 UA e 22,4 anos dão \(10^3/22{,}4^2 \approx 2{,}0\) massas solares.

O cenário Sirius A e B traz para a bancada a estrela mais brilhante do céu noturno. O par completa uma volta em 50,1 anos, com \(a \approx 19{,}8\) UA, e a terceira lei dá \(19{,}8^3/50{,}1^2 = 3{,}09\) massas solares. A elipse de Sirius A tem perto de metade do tamanho da de Sirius B, de modo que A fica com uns dois terços do total, 2,06 massas solares, e B com o terço restante, 1,03. A companheira foi deduzida antes de ser vista. Em 1844 Bessel notou que Sirius A oscilava em relação às estrelas de fundo, e em 1862 Alvan Graham Clark a encontrou ao testar uma lente nova.

Sirius B guarda uma massa parecida com a do Sol num corpo do tamanho da Terra; é uma anã branca, o que sobra de uma estrela que esgotou o combustível nuclear. Nada disso entra na conta, que só usa o período e as duas elipses. O que importa aqui é que a lei ajustada aos planetas, em torno de uma única estrela, descreve também duas estrelas em torno uma da outra. Como bastam o período e o tamanho das duas elipses, as estrelas duplas são provavelmente o caminho mais direto para pesar uma estrela. No céu a órbita aparece inclinada, e o Feynman mostra, com as medidas de Sirius ao longo de quatro décadas, por que a projeção tira Sirius A do foco aparente. A bancada olha a órbita de frente.

\(M_1 + M_2 = \dfrac{a^3}{T^2}\)\(\dfrac{a_1}{a_2} = \dfrac{M_2}{M_1}\)\(a = a_1 + a_2\) é o semieixo maior da órbita de uma estrela em relação à outra, em UA, \(T\) é o período, em anos, e as massas \(M_1\) e \(M_2\) estão em massas solares. \(a_1\) e \(a_2\) são os semieixos das elipses de cada estrela em torno do centro de massa.

No Feynman: §7-5 Universal gravitation ↗

Para conversar

  • Com a razão das massas em 1, onde fica o centro de massa? E com 0,1, que fração da separação cabe à estrela mais pesada?
  • No cenário Sirius, leve a separação de 19,8 para 39,6 UA sem mexer na massa. Quanto cresce o período?
  • Volte a 19,8 UA e leve a massa total a 5 massas solares. O período cai na proporção que a lei prevê?
  • Por que o período e a separação, sozinhos, não dizem qual das duas estrelas é a mais pesada?
Cenário
Período T
a1 / a2
Massas deduzidas
PASSO 6

Como as luas de Júpiter mediram a velocidade da luz?

A bancada mostra de cima o Sol, a Terra a 1 UA e Júpiter a 5,2 UA, com as órbitas tomadas como círculos no mesmo plano, que é a simplificação do modelo. No instante zero a Terra está entre o Sol e Júpiter, na posição chamada oposição, e os dois planetas estão a 4,20 UA, a menor distância possível. A Terra dá uma volta por ano e Júpiter leva 11,86 anos. Pouco depois de meio ano a Terra passa para o outro lado do Sol, e a distância chega a 6,20 UA na conjunção.

Io, a mais próxima das quatro grandes luas de Júpiter, dá uma volta em 1,769 dia e a cada volta entra na sombra do planeta. Da Terra, o eclipse se vê como um apagar repentino, e a sequência deles funciona como um relógio. Com o intervalo medido perto da oposição dá para montar uma tabela dos eclipses seguintes, mas a tabela logo começa a falhar. Enquanto a Terra se afasta de Júpiter, cada eclipse chega até uns 14 s depois do que o anterior faria prever; enquanto ela se aproxima, chega outros tantos segundos antes.

O gráfico da bancada mostra o efeito acumulado. A luz do eclipse precisa atravessar a distância entre Júpiter e a Terra, e cada UA a mais custa 499 s de viagem. O atraso em relação à tabela é, portanto, a distância extra dividida por \(c\). Ele cresce até 16,6 min na conjunção, quando a distância extra é o diâmetro da órbita da Terra, 2 UA. Só volta a zero na oposição seguinte, depois de 1,09 ano, porque nesse meio-tempo Júpiter também andou.

Ole Rømer, que trabalhava no Observatório de Paris, propôs essa explicação em 1676, com eclipses de Io acompanhados ao longo de vários anos. Pela estimativa dele, a luz levava uns 22 minutos para atravessar o diâmetro da órbita da Terra. Christiaan Huygens combinou esse número com o tamanho da órbita estimado na época e chegou a uma velocidade perto de 220 mil km/s. A diferença para os 16,6 min de hoje vem provavelmente da dificuldade de cronometrar um eclipse com os telescópios e relógios do século XVII. Perto da conjunção, além disso, Júpiter se perde no brilho do Sol e não pode ser observado.

Rømer não precisou da gravitação para chegar a essa leitura. Em 1676 os Principia de Newton ainda estavam a onze anos de distância, e o que ele tinha era a confiança no ritmo de Io. A explicação também não convenceu de imediato: Cassini, que dirigia o observatório, não a aceitou, e a velocidade finita da luz só foi aceita de forma ampla depois que Bradley descobriu a aberração da luz, em 1729. O Feynman olha o episódio de trás para a frente, já com a gravitação em mãos. A órbita de Io depende da atração de Júpiter e não de onde a Terra está, de modo que um desvio como esse ameaçaria a lei, a menos que outra coisa o explicasse; aqui, essa outra coisa é a luz.

\(\Delta t = \dfrac{d_{TJ}(t) - d_{TJ}(0)}{c}\)\(c = \dfrac{2\ \text{UA}}{\Delta t_{\max}}\)\(d_{TJ}(t)\) é a distância entre a Terra e Júpiter no instante \(t\), contado a partir da oposição. \(\Delta t\) é o atraso acumulado dos eclipses de Io em relação à tabela calculada perto da oposição, e \(\Delta t_{\max}\) é o seu valor na conjunção.

No Feynman: §7-5 Universal gravitation ↗

Para conversar

  • Com a velocidade da luz pela metade, de quanto fica o atraso máximo? Que \(c\) a bancada deduz dele?
  • Em que ponto do ano o atraso cresce mais depressa? Onde está a Terra nesse momento, e para onde ela anda?
  • Rømer chegou a uns 22 min. Que velocidade da luz esse atraso daria com o tamanho moderno da órbita da Terra?
  • Por que o atraso volta a zero só depois de 1,09 ano, e não de exatamente um ano?
Distância Terra–Júpiter
Atraso dos eclipses
c pelo atraso máximo
PASSO 7

Como medir G numa sala?

A bancada monta a balança de torção com os números de Henry Cavendish: uma haste de 1,86 m pendurada pelo meio num fio fino, com uma esfera de chumbo de 0,73 kg em cada ponta, e duas esferas de 158 kg ao lado das pequenas, com os centros a 0,23 m. Cada par se atrai com \(GMm/r^2 = 1{,}5\cdot10^{-7}\) N, o peso de uns 15 microgramas, perto de um quarto de um grão de sal de cozinha. As duas forças puxam as pontas da haste para lados opostos e somam um torque \(GMmL/r^2\), que torce o fio até que a resistência dele, \(\kappa\,\theta\), equilibre o puxão.

Com esses números o ângulo de equilíbrio é de \(9{,}6\cdot10^{-4}\) rad, menos de um décimo de grau, pequeno demais para ser lido na própria haste. Um espelho preso ao fio resolve o problema: quando ele gira \(\theta\), o feixe refletido gira \(2\theta\), e numa escala a 5 m o ponto de luz anda \(2\theta D = 9{,}6\) mm. Trocar as esferas grandes de lado inverte o torque e leva o ponto para o outro lado, num percurso de 19,2 mm, de modo que a medida dispensa saber onde fica o fio sem torção.

Cavendish, em 1798, não usou espelho. Ele fechou a balança numa sala, para protegê-la das correntes de ar e das diferenças de temperatura, e acompanhava as pontas da haste de fora, com lunetas apontadas para escalas finas iluminadas por lâmpadas. O espelho com o feixe de luz veio depois, em versões do século XIX, e é esse arranjo que a bancada desenha, com o giro da haste fora de escala.

Falta a constante \(\kappa\) do fio, que Cavendish não precisou medir à parte. Solta, a haste oscila em torno do equilíbrio com período \(T = 2\pi\sqrt{I/\kappa}\), em que \(I = mL^2/2\) é o momento de inércia das esferas pequenas, e nas medidas dele uma oscilação levava uns 7 min. Tirando \(\kappa\) do período e levando-o ao equilíbrio dos torques, a massa \(m\) some, e sobra uma expressão para \(G\) feita de duas distâncias, um ângulo, um tempo e a massa das esferas grandes.

Com \(G\) em mãos, a Terra pode ser pesada. A aceleração na superfície é \(g = GM_T/R_T^2\), e com \(g = 9{,}81\) m/s² e \(R_T = 6{,}37\cdot10^6\) m a massa sai \(M_T = 5{,}97\cdot10^{24}\) kg. Cavendish apresentou o resultado como a densidade média da Terra, 5,48 vezes a da água, e a experiência ficou lembrada como a que pesou o planeta; o \(G\) que se tira dos números dele fica a cerca de 1 % do valor atual. A aula de ensino médio sobre gravitação calcula a mesma atração entre duas esferas, sem a balança.

\(\kappa\,\theta = \dfrac{G M m}{r^2}\,L\)\(T = 2\pi\sqrt{I/\kappa}\)\(G = \dfrac{2\pi^2 L\,r^2\,\theta}{M\,T^2}\)\(M_T = \dfrac{g R_T^2}{G}\)\(M\) e \(m\) são as massas das esferas grandes e pequenas, \(r\) a distância entre os centros de cada par, \(L\) o comprimento da haste, \(\kappa\) a constante de torção do fio, \(I = mL^2/2\) o momento de inércia da haste com as esferas, \(T\) o período de oscilação e \(R_T\) o raio da Terra.

No Feynman: §7-6 Cavendish’s experiment ↗

Para conversar

  • Com os números de Cavendish, quanto o ponto de luz anda quando as esferas trocam de lado? E com a escala a 10 m?
  • Leve \(r\) de 0,2 para 0,4 m. O ângulo cai pela metade ou a um quarto?
  • Por que um fio que oscila mais devagar torce mais sob a mesma força? Compare \(T\) de 7 e de 14 min.
  • Com \(M = 10\) kg, \(r = 0{,}4\) m e \(T = 2\) min, o que acontece com o \(G\) deduzido? Afastar a escala basta para recuperá-lo?
Esferas grandes
Ângulo θ
Ponto na escala, 2θD
G deduzido
Massa da Terra
PASSO 8

Por que a gravidade é tão fraca, e onde Newton falha?

O cenário Fraqueza põe dois elétrons a \(10^{-10}\) m, perto do tamanho de um átomo, e compara as duas forças entre eles. A repulsão elétrica vale \(2{,}3\cdot10^{-8}\) N e a atração gravitacional \(5{,}5\cdot10^{-51}\) N, e as barras, em escala logarítmica, ficam separadas por mais de 42 potências de 10. Como as duas forças caem com o quadrado da distância, a razão \(4{,}17\cdot10^{42}\) não muda com a separação e depende só das cargas e das massas. Entre dois prótons, com a mesma carga e 1836 vezes a massa, ela cai para \(1{,}23\cdot10^{36}\), um número que continua imenso.

Se a gravidade perde por tanto, é razoável perguntar por que é ela que governa planetas e estrelas. As cargas vêm em dois sinais e se cancelam, e um corpo grande tem quase exatamente tantos prótons quanto elétrons; as massas têm um sinal só e se somam sempre. Nas esferas de chumbo do passo 7, sobrar uma carga a cada \(4\cdot10^{17}\) prótons já bastaria para criar uma força elétrica do tamanho da atração que a balança mede, e é a neutralidade quase perfeita da matéria que deixa a gravidade sozinha nas escalas grandes.

A lei de Newton também não diz como a atração atravessa o espaço vazio. Numa carta de 1693 a Richard Bentley, Newton chamou de absurda a ideia de um corpo agir sobre outro à distância sem nada entre eles, e mesmo assim não arriscou um mecanismo. Propostas não faltaram desde o século XVIII, e nenhuma resistiu às observações; o Feynman discute uma delas no §7-7. A bancada, como a lei, só calcula quanto as massas se atraem, sem dizer como.

O cenário Luz faz um raio passar a uma distância \(b\) do centro do Sol. Tratando a luz como uma partícula que viaja a \(c\) sob a lei de Newton, a conta dá um desvio de 0,875″ para o raio rasante, perto do que Johann von Soldner calculou em 1801. A relatividade geral de Einstein, de 1915, dá o dobro, 1,75″, e nas duas teorias o desvio cai com \(1/b\). A luz cai porque, na teoria de Einstein, a energia gravita tal como a massa, e a metade que falta a Newton vem da curvatura do espaço perto do Sol.

A medida pede um eclipse total, que escurece o céu em volta do Sol e deixa ver as estrelas perto da borda. Em 1919, expedições organizadas por Frank Dyson e Arthur Eddington fotografaram um eclipse em Sobral, no Ceará, e na ilha do Príncipe, e os desvios medidos, com incertezas declaradas entre uns 6 e 20 %, favoreceram o valor de Einstein; a qualidade dessas placas foi discutida por décadas. Hoje, a posição de quasares observados com radiotelescópios quando o Sol passa perto deles confirma o valor da relatividade a melhor que 0,1 %.

O que levou Einstein a mexer na lei de Newton não foi a luz. Na fórmula de Newton, a força acompanha a posição atual das massas, de modo que mover o Sol mudaria no mesmo instante a força sobre a Terra, um sinal mais rápido que a luz, que a relatividade proíbe. A correção é pequena no Sistema Solar, e além da luz ela aparece no periélio de Mercúrio, que avança 43″ por século a mais do que a atração dos outros planetas explica.

\(\dfrac{F_e}{F_g} = \dfrac{k\,e^2}{G\,m^2}\)\(\delta_{\text{RG}} = \dfrac{4GM}{c^2 b}\)\(\delta_{\text{Newton}} = \dfrac{2GM}{c^2 b}\)\(F_e\) e \(F_g\) são as forças elétrica e gravitacional entre duas partículas de carga \(e\) e massa \(m\), e \(k\) é a constante de Coulomb. \(\delta\) é o desvio de um raio de luz que passa a uma distância \(b\) do centro de um corpo de massa \(M\).

No Feynman: §7-7 What is gravity? ↗ · §7-8 Gravity and relativity ↗

Para conversar

  • Troque elétron–elétron por próton–próton. As cargas são as mesmas; por que a razão cai por um fator de mais de três milhões?
  • A razão elétron–próton fica entre as outras duas. De que forma ela se relaciona com elas?
  • No cenário Luz, leve \(b\) de 1 para 2 raios solares. Quanto mudam as duas deflexões? E a razão entre elas?
  • A que distância do Sol a deflexão da relatividade cai ao valor newtoniano do raio rasante?
Cenário
Partículas
Fe / Fg
Deflexão: relatividade · Newton

Para onde vamos

A aula usou posição, velocidade e aceleração o tempo todo como se essas palavras já estivessem bem definidas. O capítulo 8 do Feynman, Motion, volta um passo para defini-las com cuidado, como funções do tempo e com as derivadas que as ligam. Ele também está no site do Caltech, e a aula desta trilha que o acompanha é Movimento.