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Livro de astronomia
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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e s t e c a d e r n o c o n t i n u a m - s e a s experiências e actividades introduzidas em Onde estás? Materiais para Observar e Experimentar , dirigindo-se a crianças a partir dos dez anos de idade. As experiências aqui apresentadas, juntamente com os instrumentos propostos no primeiro caderno, poderão servir para a realização de actividades experimentais e de observação ao nível do ensino básico. Recomenda-se a leitura prévia do primeiro caderno, assim como a realização das actividades e experiências aí propostas.
A Unidade Ciência Viva agradece ao Prof. Rui Dilão a concepção deste trabalho. Ao Prof. Maurice Bazin e à Drª Elisa Figueira que seguiram, testaram e discutiram, desde a primeira hora, as várias versões, os nossos maiores agradecimentos.
Ficha Técnica Texto: Rui Dilão Revisão e Sugestões: Maurice Bazin, Elisa Figueira, Helena Fonseca, Carlos Rodrigues e equipa da Unidade Ciência Viva. Comentários ao texto: Ana Teodoro, Dulce Marcelino, Suzana Andrade e Maria João Mora. Arranjo Gráfico: FPGB design Teste de actividades em escolas: E. S. Luísa de Gusmão (Lisboa), E. S. Rainha D. Amélia (Lisboa), E. S. José Régio (Vila do Conde), EB2,3 D. Manuel I (Alcochete) e Colégio de Quiaios. Aos professores e alunos que colaboraram neste teste os nossos agradecimentos. Agradecimentos: As figuras das páginas 2, 3 e 19 foram obtidas no arquivo fotográfico da NASA. As figuras do astrolábio, do sextante e da carta de 1502 foram cedidas pelo Museu da Marinha. Algumas das figuras da Terra foram cedidas por John Walker. O mapa da página 18 foi construído a partir dos dados 88-MGG-02, Digital Relief of the Surface of the Earth , NOAA, National Geographic Data Center, Boulder, Colorado, 1988. A estas entidades os nossos agradecimentos. Impressão: Eurodois, Lda Tiragem: 5.000 exemplares Depósito legal: 135929/ ISBN: 972-97805-2- © Ministério da Ciência e da Tecnologia, 1999 http://www.ucv.mct.pt
Observação
A Terra gira à volta do Sol!
Nicolau Copérnico nasceu no ano de 1473 na Polónia, na altura em que os Portugueses acabavam de descobrir a costa Africana até ao golfo da Guiné. Copérnico dedicou-se ao estudo da medicina, das leis e da astronomia. Foi Copérnico quem pela primeira vez apresentou provas convincentes de que a Terra gira em torno do Sol. Escreveu as suas ideias no livro Sobre a Revolução dos Corpos Celestes , publicado no ano de 1543, em Nuremberga, na Alemanha. Neste ano, reinava em Portugal D. João III e os Portugueses começavam a aventurar-se para o Japão.
Cedo, habituámo-nos a observar que o dia se sucede à noite e que a noite se sucede ao dia. Porquê? Porque vemos o Sol nascer, percorrer o céu e iluminar-nos. Mas ao fim do dia ele desaparece por detrás dos montes ou no mar. Então, surgem as estrelas e a Lua, nascendo e desaparecendo para de novo dar lugar ao Sol. As pessoas que viveram há muitos, muitos anos, pensavam que o Sol se movia em torno da Terra. Mas, há cerca de 450 anos, Nicolau Copérnico mostrou que a Terra se move em torno do Sol, e os dias se sucedem às noites e as noites aos dias, porque a Terra gira sobre si própria.
O que pensas?
A Terra, no seu movimento em volta do Sol, percorre uma trajectória aproximadamente circular. A Lua roda em volta da Terra e acompanha-a no seu movimento em torno do Sol.
Hoje, com os foguetões e as naves espaciais, podemo-nos afastar muito da Terra e observar que ela se desloca em torno do Sol, dando uma volta completa em aproximadamente 365 dias e 6 horas. Das naves espaciais podemos ainda fotografar a Terra e olhar para mais longe no universo.
Estação espacial orbitando em torno da Terra. O movimento desta estação orbital em torno da Terra é muito semelhante ao movimento da Lua em torno da Terra. A Lua está apenas mais longe.
Terra vista do espaço, a 1000 km de altitude, na vertical de Lisboa.
O ano tem 365 dias e 6 horas, que é aproximadamente o tempo que a Terra demora a dar uma volta em torno do Sol. Por isso, no nosso calendário existem anos com 365 dias e anos com 366 dias. Os anos com 366 dias designam-se por anos bissextos. Sabendo que o ano de 1996 teve 366 dias e 1997 teve 365 dias, sublinha na lista seguinte os anos com 366 dias.
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
Assim como da Terra se vê a Lua, da Lua também se vê a Terra. Esta fotografia da Terra foi tirada da nave espacial Clementine quando esta se encontrava perto da Lua.
Actividade
Se imaginares que a órbita da Terra está num plano — o plano da órbita da Terra — então o eixo norte-sul está inclinado 23º e 30 minutos em relação a esse plano e aponta sempre na mesma direcção. Como se vê na figura anterior, existe uma região ao longo da órbita da Terra em que o Pólo Norte não está iluminado pela luz do Sol, enquanto que o Pólo Sul recebe luz. Nessas alturas é Inverno no hemisfério Norte e Verão no hemisfério Sul. Quando o Pólo Norte fica mais inclinado na direcção do Sol começa o Verão no hemisfério Norte: é o solstício de Junho, o dia com mais horas de luz no hemisfério Norte.
A Terra roda em torno do Sol e o seu eixo está inclinado em relação ao plano da órbita da Terra. São estes factos que fazem com que haja Verão e Inverno nas regiões acima e abaixo dos trópicos de Câncer e Capricórnio. Na região equatorial, as diferenças entre Verão e Inverno são menos acentuadas.
Se nos solstícios olhasses para a Terra e para o Sol de uma nave espacial, ao nível do plano da órbita da Terra, verias o seguinte:
Solstício de Junho Solstício de Dezembro
A trajectória do movimento da Terra em torno do Sol só é aproximadamente circular. De facto, existe uma altura do ano em que a Terra está mais próxima do Sol. É no dia 4 de Janeiro, em pleno Inverno no hemisfério Norte!
Observação
As constelações são grupos de estrelas que formam figuras imaginárias que mantêm aparentemente a mesma posição umas em relação às outras. A Estrela Polar é uma das estrelas da cauda da constelação da Ursa Menor. No céu de Portugal podes encontrar a Ursa Maior, a Cassiopeia e a Ursa Menor, entre outras. Se observares o céu a partir de um sítio escuro poderás vê-las facilmente. A mais difícil de encontrar é a Ursa Menor pois a luz das suas estrelas é mais fraca. Começa por encontrar a Ursa Maior e a Cassiopeia. Em seguida, tenta encontrar a Ursa Menor, sabendo que a posição relativa das três constelações aparece como na figura. Se tiveres o teu nocturlábio contigo, podes medir a hora. Se voltares a olhar para estas constelações uma hora mais tarde, verás que elas rodaram em torno da Estrela Polar. Agora, podes medir a hora outra vez com o teu nocturlábio e verás que de facto passou uma hora.
O que pensas?
Ursa Menor
Ursa Maior Estrela Polar
Cassiopeia
Mas vamos agora olhar para mais longe no Universo! No hemisfério Norte, se olharmos para o céu durante a noite, a intervalos espaçados, vemos que as estrelas se movem lentamente em torno da Estrela Polar. No hemisfério Sul, as estrelas movem-se todas em torno de uma região muito escura, que se designa por Saco de Carvão. A Estrela Polar indica sempre a direcção do norte e só é visível no hemisfério Norte. O Saco de Carvão está na direcção do sul e só é visível do hemisfério Sul.
A Estrela Polar
Actividade
Eratóstenes nasceu há 2274 anos na cidade de Cirene, na actual Líbia. Enquanto dirigia a famosa Biblioteca de Alexandria no Egipto, descobriu que no solstício de Junho, no hemisfério Norte, um pau colocado na vertical na cidade de Siena, 800 km a sul de Alexandria, não tinha sombra ao meio-dia. Foi ele que conseguiu determinar, com base em experiências com a sombra de paus, o comprimento do equador da Terra e começou a incluir os anos bissextos no calendário grego.
Equador Trópico de Capricórnio
Trópico de Câncer Verão
Inverno
Pólo Norte
Pólo Sul
Experiência
Foi a observação da regularidade do movimento da Terra em volta do Sol que permitiu aos astrónomos e geógrafos encontrar métodos práticos para determinar a nossa posição sobre a Terra.
Os pontos mais a norte e mais a sul do equador são referenciados ao longo de linhas circulares paralelas desenhadas sobre a Terra. Essas linhas são os paralelos e a sua posição é medida em graus: o equador é a linha de zero graus, o Pólo Norte está a 90º N em relação ao equador, e o Pólo Sul a 90º S em relação ao equador. A medida da posição norte-sul chama-se latitude. A latitude do trópico de Câncer é de 23º 30’, p r e c i s a m e n t e i g u a l à i n c l i n a ç ã o d o e i x o da Terra em relação ao plano da sua órbita em torno do Sol!
Para determinar a latitude de um lugar durante o dia, é necessário saber, para além do ângulo que o Sol ao meio do dia faz com o horizonte, a data e a nossa posição aproximada sobre a Terra: é preciso saber se estamos no hemisfério Norte ou no hemisfério Sul e qual a nossa posição em relação aos trópicos. No hemisfério Norte a inclinação da Estrela Polar é a latitude de um lugar.
A latitude de um lugar é a medida do ângulo que se percorre quando se vai do equador até ao paralelo que passa por esse lugar, perpendicularmente ao equador. Esse ângulo é igual ao ângulo que a Estrela Polar faz com o horizonte, a qualquer hora. Medir a latitude é simples, pois no céu nocturno do hemisfério Norte da Terra, a Estrela Polar está sempre presente.
Latitudes
Equador
Paralelos
Estrela Polar
Equador
Latitude: 30ºN 30º
30º Linha do horizonte
Já sabemos determinar posições mais a norte ou mais a sul sobre a Terra, isto é, sabemos determinar a latitude de um lugar. Para determinar completamente a nossa posição sobre a Terra é necessário saber se estamos mais a este ou a oeste, isto é, precisamos de saber a longitude. Agora, o Sol e as estrelas não nos podem ajudar.
A ideia de determinar a nossa posição este-oeste veio do Egipto, do astrónomo grego Ptolomeu, que nasceu há cerca de 2170 anos. Ptolomeu lembrou-se de passar pelo Pólo Norte e pelo Pólo Sul círculos verticais a que chamou meridianos. A posição destes meridianos era medida em relação ao meridiano dos Zero Graus que passava num ponto escolhido sobre o equador. Para Ptolomeu o meridiano zero passava pelas ilhas Canárias. Mas como esta decisão é arbitrária, ao longo da história, reis e ministros foram fazendo passar o meridiano dos Zero Graus pelos Açores, Cabo Verde, Roma, Paris, Pisa, Filadélfia e Londres. Hoje passa pelo Observatório de Greenwich, a este de Londres.
Para se determinar a longitude de um lugar, não basta definir os meridianos, são necessários instrumentos para o fazer. Uma possibilidade é através da medição do tempo, ou seja, com a ajuda de um relógio.
A determinação da longitude de um lugar baseia-se no facto de a Terra dar uma volta completa em torno do seu eixo norte-sul em aproximadamente 24 horas. Para isso é necessário saber a diferença horária entre o meio-dia solar do local e de um ponto de referência, determinado pela altura máxima do Sol nos dois locais. Como a Terra faz uma rotação completa sobre si mesma (360 graus) em 24 horas, por cada hora de diferença entre o meio-dia do ponto onde estamos e do ponto de referência, foram percorridos 15 graus para este ou para oeste.
Por exemplo, para determinar a longitude no mar basta sair do porto com um relógio que não se desacerte e, ao meio-dia local, determinar a hora no porto de partida. Com a ajuda das tábuas de navegar que têm as horas do meio-dia no porto de partida, para todos os dias do ano, os pilotos podem calcular a diferença horária entre o meio-dia solar do ponto em que estão e o do porto de partida. Por cada hora de diferença horária, estão mais ou menos 15 graus para este ou oeste em relação ao porto de partida.
Como podemos saber a latitude, pelo ângulo que o
Equador A escala das longitudes é traçada sobre a linha do Equador!
Sol faz com o horizonte ao meio-dia ou, durante a noite, pelo ângulo que a Estrela Polar faz com o horizonte, sabemos o paralelo em que nos encontramos. Assim, sabendo o paralelo e o meridiano, podemos marcar sobre o globo terrestre a nossa posição.
Meridiano de Greenwich ou dos Zero Graus de longitude
0º
40ºW 20ºE 20ºW
Meridianos
Mas transportar um relógio num barco era uma tarefa complicada. Suportar os balanços dos navios, a humidade e as diferenças de temperatura, não era coisa fácil para os relógios dos séculos XV, XVI, XVII e XVIII.
Dos finais do século XV, altura em que Colombo chegou à América, até aos finais do século XVIII , o transporte de um relógio a bordo foi considerado como o problema mais difícil das ciências náuticas. As dificuldades encontradas por perda de rumo e por naufrágios foram tantas que, em 1598, o rei Filipe III de Espanha ofereceu um prémio para quem descobrisse um processo prático de determinar a longitude. Mais tarde, em 1714, o rei George III de Inglaterra, a pedido de navegadores e comerciantes, instituiu o prémio do Acto da Longitude para quem encontrasse a solução do problema da longitude.
A invenção do relógio que não se desacertava nos navios foi feita pelo artesão inglês John Harrison, em meados do século XVIII , e o primeiro teste náutico foi efectuado em 1736, numa viagem para Lisboa. A invenção de John Harrison só foi reconhecida em 1773, quando recebeu o prémio do Acto das Longitudes.
Só depois de 1773 é que se tornou possível determinar com precisão longitudes no mar. Até lá, a navegação era feita com grande risco, tendo ficado na história vários relatos de acidentes por perda de orientação. Muitas vezes, por segurança, os navegadores seguiam rotas ao longo de paralelos, mantendo sempre a mesma altura do Sol ao meio-dia. Foi o caso de Cristóvão Colombo que, em 1492, chegou à América navegando sempre ao longo de um paralelo.
John Harrison nasceu em 1693, num ambiente rural, e aos 18 anos construiu um relógio de madeira. Em 1730, muda-se da sua aldeia natal para Londres e apresenta os planos para o seu relógio náutico a Edmond Halley, um dos mais famosos astrónomos da época. Os seus planos são acolhidos com cepticismo por Halley. Nos cinco anos seguintes Harrison dedica-se a construir o primeiro protótipo do relógio náutico. Este relógio, que ainda funciona perfeitamente no Museu de Greenwich, tinha cerca de 35 kg e quatro mostradores que indicavam o dia, as horas, os minutos e os segundos. Foi experimentado com sucesso pela primeira vez numa viagem do H. M. S Centurion para Lisboa, apresentando variações de alguns segundos por dia. Dos resultados da viagem a Lisboa, John Harrison esteve quase a ganhar o prémio do Acto das Longitudes, mas, para surpresa de todos, pediu que lhe fosse dado tempo para poder aperfeiçoar o seu protótipo. Harrison não estava contente com a precisão nem com as dimensões do seu relógio. Nos vinte e cinco anos que se seguiram, construiu mais três protótipos. Durante este tempo, Harrison foi apoiado pela Sociedade Real Inglesa e desenvolveu todos os mecanismos que estão na base dos relógios modernos. O quarto relógio só foi acabado em 1759, pesando cerca de 1,5 kg. Depois dos testes de navegação à Índia, John Harrison recebeu em 1773 o prémio do Acto das Longitudes, morrendo três anos depois. Actualmente, o seu relógio de madeira e os quatro relógios náuticos ainda funcionam, prevendo-se que o último comece a apresentar problemas mecânicos daqui a quatrocentos anos!
Lisboa: 38º 44’ N, 9º 8’ W Porto: 41º 8’ N, 8º 22’ W Faro: 37º 1’ N, 9º 5’ W
Bragança: 41º 49’ N, 6º 45’ W Açores: 38º N, 25º W Madeira: 33º N, 17º W
Algumas latitudes e longitudes:
Um navegador sai de Lisboa com um relógio que não se desacerta em relação a outro que fica no ponto de partida. Passados uns dias, quando o Sol está na sua posição mais elevada no céu (meio-dia solar), vê que horas são em Lisboa e determina, com o seu astrolábio, quadrante ou sextante, o ângulo que o Sol faz com o horizonte. O navegador determina, com a ajuda da bússola, se o Sol ao meio-dia está para norte ou para sul. Então, escreve num papel os seguintes dados, relativos ao meio dia solar do local onde se encontra:
Altura e direcção do Sol ao meio-dia solar: 62º, na direcção do sul. Valor marcado pelo relógio com a hora de Lisboa: 13 h 28 min. Data: 22 de Julho. Latitude e longitude em Lisboa (porto de saída): 38º 44´ N, 9º 8´ W.
A partir destes dados, para saber a sua posição, o navegador vai pensar da seguinte maneira: Calcular a latitude seria muito simples se estivesse num dos equinócios, em que o Sol ao meio-dia está na vertical do equador: como a direcção da Estrela Polar faz um ângulo de 90º em relação ao equador, a latitude seria dada directamente por 90º menos o ângulo que o Sol faz com o horizonte. Por outro lado, desde que saí de Lisboa, há já alguns dias, que o Sol do meio-dia esteve sempre para sul e portanto tenho de estar a norte do equador. Vejamos então qual será a posição do Sol no equinócio quando vejo o Sol do meio-dia para sul:
Como no equinócio o Sol ao meio-dia está na vertical do equador, e o equador está a 90º em relação à Estrela Polar, a latitude, medida pela inclinação do Sol ao meio-dia, é igual a 90º menos o ângulo que o Sol faz com o horizonte.
Lat.
Polar
Lat.
Altura do Sol
Equador
Câncer
Sol no equinócio
Linha do horizonte
Actividade
Como do solstício ao equinócio decorrem 92 dias, a altura do Sol ao meio-dia, em relação ao equador, varia 15´ 20´´ por dia, que obtive dividindo 23º e 30’ por 92 dias. Ora, no dia 22 de Julho, 61 dias antes do equinócio, o Sol está entre o equador e o trópico, pelo que a altura do Sol em relação ao equador é 15´ 20’’ vezes 61, ou seja, 15º 35´. Então, para calcular a latitude do lugar, tenho de descontar este ângulo ao que medi, como fiz para o dia do solstício. Assim, o ângulo para o cálculo da latitude é 62º menos 15º 35´, isto é, 46º 25´. Finalmente, posso calcular a latitude como no dia do equinócio: 90º - 46º 25’ = 43º 35´ N.
Para calcular a longitude tenho de saber a que horas foi o meio-dia solar em Lisboa e comparar com as horas a que ocorreu o meio-dia solar no ponto onde me encontro. Com a ajuda das tabelas náuticas que os astrónomos do meu porto de saída fizeram, sei que o meio-dia solar em Lisboa se deu às 12h e 43 min. Assim, no ponto onde me encontro o meio-dia solar deu-se 45 minutos mais tarde que em Lisboa. Como a Terra roda 15º por hora, a uma diferença horária de 45 minutos corresponde um ângulo de 11º 15’. Assim, como a Terra roda de Oeste para Este, estou a oeste do ponto de partida, na longitude 9º 8´ + 11º 15´ = 20º 23´ W.
A posição do navegador sobre a Terra é 43º 35’ N , 20º 23’ W. Se marcares estas coordenadadas no teu globo terrestre verás que o navegador está no oceano Atlântico Norte, a noroeste de Lisboa e a nordeste dos Açores.
Se hoje fosse dia 21 de Junho, o Sol ao meio-dia estaria na vertical do trópico de Câncer e já não fazia um ângulo de 90º com a Estrela Polar. Mas como a latitude do trópico de Câncer é de 23º 30´ N, para calcular a altura do Sol em relação a um ponto na vertical do equador, tinha que subtrair 23º 30´ à altura do Sol no local onde me encontro. Com este novo ângulo, podia calcular a latitude como no dia do equinócio!
Se estivesse no solstício, a posição do Sol seria assim:
Lat.
Polar
Lat.
Altura do Sol
Equador
Câncer
Sol no solstício
Linha do horizonte
É com a informação sobre o movimento aparente do Sol na esfera celeste que os astrónomos preparam tabelas naúticas para os navegadores. Por exemplo, para determinar a latitude de um lugar em qualquer dia do ano, um navegador tem que saber a altura do Sol ao meio-dia ao longo da eclíptica. Assim, os astrónomos constroiem tabelas da inclinação do Sol ao longo dos dias do ano, como a que está representada na figura.
Por exemplo, de acordo com a tabela, no dia 22 de Maio, o Sol ao meio-dia está na vertical do paralelo dos 16º N. No dia 7 de Novembro, o Sol ao meio-dia está na vertical do paralelo dos 12º S. Na tabela, os valores negativos referem-se a latitudes para Sul do equador.
Ângulo de correcção para a determinação da latitude
AB RI L
M AR ÇO
EF EV ER ORI
NAJ ORIE ORBMEZED
V (^) ON ME
RB
(^) O
U (^) O
U (^) T
R B O
SE
TE
M
B^ R
O
AG
OS
TO
JUL
HO
JUNHO MA IO
23 º 30 ’ (^20) º
(^15) º
(^10) º
(^5) º
0º
5 - º
1 - º^0
51 - º
º^02 - º (^0 2) - ’ 0 3 º 32 -
(^5 1) - º
(^1) -
º 0
(^5) - º
0 º
5 º
10
º
15 º
20 º
Para a determinação de longitudes, a hora do meio-dia solar num lugar da Terra pode ser representada numa tabela. Por exemplo, no Pavilhão do Conhecimento, em Lisboa, o meio dia solar lido no relógio é obtido adicionando a 12 horas os valores em minutos lidos na tabela.
Com estas tabelas, um quadrante, uma bússola e um relógio com a hora de um local de referência, é sempre possível saber onde estamos sobre a Terra!
Hora do meio-dia solar no Pavilhão do Conhecimento (Lisboa, 9º 5’ 42’’ W) Correcções: Porto: cerca de 3 min mais cedo Bragança: cerca de 10 min mais cedo Faro: à mesma hora Açores: cerca de 1h e 3 min mais tarde Madeira: cerca de 31 min mais tarde Em Portugal continental e Madeira, acrescer 1 hora no período compreendido entre o último domingo de Março e o último domingo de Outubro. Para os Açores, diminuir uma hora entre o último domingo de Outubro e o último domingo de Março.
ABRIL MARÇO FEV ER EIR O
JA NE IR O
ED EZ M RB O
ON EV BM OR UTUO O (^) RBMET (^) ES ORB
GA
S O
OT
UJ
HL
O
J^ U
NH
O
MA
IO
(^4042444) (^547) (^48) (^49) (^50) (^50) (^51) (^51) (^50) (^50) (^49) (^47) (^46) (^44) (^42) (^40) (^38)
53 33 13 92 72 52 32 22 12 02 02 202 120 (^13 927 262 4232 )
(^3 )
(^3 )
(^3 ) (^8)
(^93)
(^04)
(^4)
(^1)
(^24)
(^4)
(^2)
(^24)
(^4) 2
(^24)
14
40
39
3 8
3 7
3 6
35
34
34
33
32
32
32
33
33
343
5363
739