Roteiro da Aula 5. Astronomia de posição com o Cybersky Objetivos

Roteiro da Aula 5.
Astronomia de posição com o Cybersky
Objetivos:
Introduzir a noção de sistema de coordenadas, apresentado os conceitos de altura e azimute de
um astro. Explorar o conceito de plano orbital para abordar o equador celeste e a eclíptica. Fomentar a
compreensão analítica do movimento diurno, do movimento anual do Sol e das estações do ano, bem
como da duração do dia e da influência da latitude na duração do dia. Apresentar o movimento aparente
da Lua explorando a ocorrência das fases da Lua e dos eclipses.
Instrumentos:
Aparato de demonstração experimental, roteiro impresso da atividade, computadores com o
software CyberSky instalado.
Desenvolvimento:
Esta aula se inicia com a discussão sobre a importância da adoção de um sistema de coordenadas
que possibilite a localização dos astros no céu. Dentro dessa ideia, a apresentação do sistema horizontal
de coordenadas é mais razoável dado o público alvo, pois toma como referência o plano horizontal, mais
facilmente identificável por todos. Apresenta-se o conceito de altura, dizendo-se simplesmente que a
altura de um astro é o ângulo formado entre a linha de visada que se encontra o astro e o horizonte do
observador, contando-se a partir do horizonte. A animação em flash que desenvolvemos procura ilustrar a
definição de altura, mas não é indispensável. Da definição de altura pode-se introduzir o conceito de
zênite e nadir.
Na sequência da abordagem ao sistema de coordenadas horizontal, vem a definição de azimute,
que também é um ângulo, só que entre a linha de visada em que se encontra o astro e a direção Norte,
contado ao longo do horizonte. A animação em flash que elaboramos e que está disponível no conteúdo
da aula pretende ajudar na compreender esse conceito. É provável que nesse ponto da aula os alunos já
se deem conta de que o sistema horizontal de coordenadas não dá um “endereço” fixo para as estrelas,
muito pelo contrário, os dois ângulo que localizam um astro no céu variam com o tempo e com o local da
observação.
A sequência desta aula é a apresentação do aparato que simula o dia e a noite, as estações do
ano, as fases da Lua e os eclipses. Com essa demonstração pretende-se que o aluno compreenda o
conceito de equador celeste e de eclíptica e as implicações do fato de o plano orbital da terra não
coincidir com o plano do equador celeste. A título de informação, incluímos nesta aula um material que
define os conceitos abordados neste ponto da aula.
O aparato de demonstração consiste de 4 bolinhas de isopor de tamanho médio, representando a
Terra em 4 posições diferentes da órbita. Em cada bolinha representa-se o eixo de rotação da Terra por
palitos de dente introduzidos nos polos da bolinha. Com palitos de churrasco, conforme mostra a figura 1,
representa-se uma reta perpendicular à órbita da Terra.
Figura 1 – Bolinha de isopor que representa a Terra, na qual foram introduzidos palitos de dente para representar o eixo de rotação e
um palito de churrasco para representar uma reta perpendicular ao plano da órbita da Terra.
No centro de uma placa de compensado coloca-se um soquete de lâmpada ligado a uma flecha
(para ligar a uma tomada). A lâmpada representará o Sol e ao redor do suporte da lâmpada, cola-se 4
bases retangulares de isopor grosso (150 mm)
nos pontos que representariam os solstícios e os
equinócios. Em cada base introduz-se o palito de churrasco de cada Terra.
Quando a lâmpada for acesa, será possível verificar que em dois pontos da órbita – nos
equinócios – ambos hemisférios são igualmente iluminados. Já nos outros dois pontos da órbita da Terra,
de forma alternada, um dos hemisférios estará mais iluminado que o outro.
Com o auxílio da demonstração fica claro o que a eclíptica (projeção do plano da órbita da Terra
no céu) não coincide com o equador celeste (projeção do equador terrestre no céu) e que a isso se
devem as estações do ano. Mais que isso, com o auxílio de um alfinete de cabeça colorida, para
representar um observador na Terra, é possível compreender que a duração do dia será menor no
hemisfério menos privilegiado pela iluminação da lâmpada. Uma bolinha de isopor menor e volante pode
ser incluída no aparato para representar a Lua e mostrar as fases da Lua aos alunos e bem como a
ocorrência de eclipses.
Uma vez que abordou-se do ponto de vista de um observador fora da Terra como ocorre o
fenômeno das estações do ano e dos eclipses e que já foi dada uma ideia preliminar ao aluno de
conceitos como equador celeste e eclíptica, cabe expor o que se observa no céu noturno. Para tanto
trazemos o roteiro de utilização do CyberSky – que é um software pago, mas que disponibiliza uma
versão menos atual gratuita. Sobre o software, o professor precisa conhecer os comandos básicos tais
como a configuração da localização e do tempo e a inserção das grades do sistema de coordenadas, da
eclíptica e do equador celeste. Nesse roteiro, a primeira atividade é de familiarização com o sistema de
coordenadas e o aluno parte de uma observação de duração do dia, determinando a altura do Sol em
três momentos distintos e determinando também o azimute do Sol no nascer e no ocaso. Esse
procedimento de familiarização é importante para as etapas seguintes, nas quais o aluno vai fazer
sucessivas anotações de altura e azimute.
Provavelmente, já nesta primeira etapa, os alunos atentem ao fato de que o Sol não nasce
exatamente no Leste, nem se põe exatamente no Oeste. O Sol só nasce exatamente no Leste e se põe
exatamente no Oeste duas vezes por ano, justamente nos equinócios. Ou seja, este fato também está
relacionado com a ocorrência das estações do ano. Sabemos que é a rotação da Terra que possibilita a
sucessão dos dias e das noites, mas esse não é o único movimento que a Terra executa. Ao longo do ano
o Sol se move sobre a eclíptica, que não coincide com o equador celeste. É só nos equinócios que o Sol
está sobre o equador celeste.
Na etapa seguinte, o aluno vai observar a duração do dia para três latitudes distintas, no solstício
de inverno e no solstício de verão, verificando a relação entre a estação do ano e a duração do dia e
principalmente a influência da latitude na diferença entre o inverno e o verão. Um exemplo que pode ser
citado para reafirmar a ideia de que é a combinação de dois fatores – inclinação do eixo de rotação e
movimento de revolução – que determina a existência de estações do ano é o sol- da-meia-noite que
ocorre nos polos, no solstício de verão. Nessa parte do roteiro, o que espera-se é que os alunos se deem
conta, entre outras coisas, que o Sol é sempre mais alto ao meio dia no verão que no inverno. Além
disso verifiquem que, depende da latitude local, a altura que atinge o Sol ao meio dia no verão. Dando o
exemplo da cidade em que realizamos o curso – Guaíba no Rio Grande do Sul –, os alunos provavelmente
se surpreenderão com o fato de que o Sol nunca está no zênite, nem mesmo ao meio dia do solstício de
verão.
A etapa seguinte diz respeito ao movimento da Lua que, com o avanço nos dias – mantendo-se
fixa a hora – regride com relação aos demais astros do Sistema Solar. Ou seja, embora a Lua nasça
próximo à direção Leste e se ponha próximo à direção Oeste, a cada dia ela nasce um pouco mais tarde.
Além dessa observação, neste ponto do roteiro, devemos propiciar que os aprendizes reparem na
trajetória da Lua no céu no transcorrer dos dias, verificando que o movimento não se dá sobre a eclíptica,
mas obliquamente a ela. Essa observação implica na não ocorrência de eclipses lunares em toda Lua
Cheia e eclipses solares em toda Lua Nova. Como o plano da órbita da Lua ao redor da Terra não coincide
com o plano da órbita da Terra ao redor do Sol, nem sempre Lua e Sol se alinharão perfeitamente nestas
fases.
Ainda sobre o movimento da Lua, pedimos que os alunos – avançando nos dias - verifiquem
quanto tempo leva para que a Lua volte ao mesmo ponto do céu com relação às estrelas fixas. Essa
informação nada mais é do que o período orbital da Lua, que será usada no final para determinar qual é a
velocidade angular aparente do nosso satélite no céu. Possivelmente para esta tarefa os alunos precisem
de auxílio e é um bom momento para lembrá-los que a velocidade angular é o deslocamento angular
dividido pelo intervalo tempo em que este deslocamento ocorre. Explicar que o deslocamento angular em
uma volta completa é de 360º e o tempo para uma volta completa é o período é suficiente para que eles
completem a tarefa.
Por fim, retoma-se a questão abordada no início com o auxílio da demonstração experimental
sobre as fases da Lua onde apresenta-se que quando Lua e Sol estão na mesma direção no céu é Lua
Nova e pede-se que os próprios alunos observem a implicação disso no software. Ou seja, quando a Lua
e o Sol estiverem próximos no céu, é Lua Nova. O contrário, quando estão em lados opostos no céu, se
observa na fase cheia.
Referências:
Para saber um pouco mais sobre os tópicos do curso, recomendamos a visita aos seguintes sítios
internet:
•
CyberSky – software de simulação do céu
•
Feira de Ciências – artigo sobre Sistemas de Coordenadas
•
Eclipses – Hipertexto de Astronomia e Astrofísica
•
Movimento do Sol – Apresentação de Roberto Ortiz e Roberto Bockzo (USP)