(INICIANTE)
a) A figura a seguir representa a situação limite em que a luz solar começa a chegar ao fundo do balde.
Tomando o centro do Sol como o ponto em que sua altura é medida, a maior distância zenital para a situação ocorrer é zmax=θ+D/2.
O ângulo θ descrito na imagem é o maior ângulo para o qual os raios (paralelos) do Sol conseguem atingir o fundo do balde sem serem bloqueados pela sua parede, e tem o valor de θ=arctan(Dh)=30∘58′. Assim, a altura mínima para a situação ocorrer deve ser de: amin=90−zmax=59∘47′.
b) Durante o equinócio, o Sol se encontra sobre o equador celeste, e então vale a relação: cos(zmax)=cos(ϕ)cos(H), o que implica em um ângulo horário de H=1h37m. Então, o tempo que o baldinho terá seu fundo iluminado é de 2H=3h15m.
(INTERMEDIÁRIO)
a) A energia luminosa que a vela recebe por unidade de tempo, vale
ΔEΔt=f⋅A=L4πr2⋅A
Sabe-se também que a energia de um fóton obedece a relação E=c⋅pf.
Finalmente, utilizando a definição de força F=ΔpΔt, é possível estabelecer que
→F=E/c−(−E/c)ΔtAˆr=2AcLSol4πr2ˆr
O fator de 2 surge do fato de que, após a colisão, o fóton é refletido, e então, por conservação de momento, Δp=2pf
b) Sim, o momento angular é de fato conservado, pois a força exercida pela radiação, assim como a gravitacional, é sempre radial. Isso pode ser provado mais formalmente da seguinte forma:
→L=m(→r×→v)
d→Ldt=d→rdt×→p+→r×d→pdt
d→Ldt=→v×→p+→r×→F
Como →p possui a mesma direção de →v,→v×→p=0, e sendo →F uma força radial, →r×→F=0. Assim, d→Ldt=0, então →L de fato conserva.
c) A força exercida pela radiação tem um comportamento similar à gravitacional, com a diferença sendo o seu sentido. Então, o potencial associado deve ser da forma U=LSolAc4πr, assim, por conservação de energia:
mv2r,02+L22mr20−mMGr0+LSolAc4πr0=mv2r2+L22mr2∞−mMGr∞+LSolAc4πr∞
mω20r0−mMGr0+LSolAc4πr0=mv2r2
−mMG2r0+LSolAc4πr0=mv2r2
vr=√LSolAmc2πr0−MGr0=15,5km/s
(AVANÇADO)
a) A área do buraco negro assumirá a relação:
A∝GαcβMγ⇒[A]=[G]α[c]β[M]γ
Em termos das unidades:
L2=(L3MT2)α(LT)βMγ
Equação com respeito a L: 3α+β=2
Equação com respeito a T: −2α−β=0
Equação com respeito a M: −α+γ=0
Resolvendo o sistema, obtém-se α=2, β=−4 e γ=2
Assim:
A∝G2M2c4
O que vai de acordo com a área calculada através do raio de Schwarzchild:
A=4πR2s=16πG2M2c4
Mas que não será usada na resolução.
Quanto a entropia, esta assume dimensões de [Q][T]=ML2θT2, sendo θ uma unidade de temperatura. De forma similar à área:
S∝(GαcβℏγkδB)A
ML2θT2=(L3MT2)α(LT)β(ML2T)γ(ML2θT2)δL2
Equação com respeito a L: 3α+β+2γ+2δ=0
Equação com respeito a T: −2α−β−γ−2δ=−2
Equação com respeito a M: −α+γ+δ=1
Equação com respeito a θ: −δ=−1
Resolvendo o sistema, obtém-se α=−1, β=3, γ=−1 e δ=1
Assim:
S∝(kBc3Gℏ)A∝(kBc3Gℏ)(G2M2c4)
O que vai de acordo com o resultado obtido por Hawking S=kBc34GℏA
b) Por rigor, vamos estabelecer uma constante adimensional K na expressão da entropia para que a proporcionalidade seja na prática uma igualdade.
S=K⋅(kBc3Gℏ)(G2M2c4)=K⋅(kBGℏc)M2
S+ΔS=K⋅(kBGℏc)(M+ΔM)2=K⋅(kBGℏc)M2(1+ΔMM)2
S+ΔS=K⋅(kBGℏc)M2+K⋅(kBGℏc)2MΔM
ΔS=K⋅(kBGℏc)2MΔM
ΔS∝(kBGℏc)MΔM
c) Da equação E=mc2, se estabelece que ΔU=c2ΔM. E de acordo com a primeira lei da termodinâmica (ΔU=TΔS+W):
c2ΔM=TΔS
d) Relacionando as duas equações, obtém-se:
Tc2=ΔMΔS∝(ℏckBG)1M
T∝ℏc3kBGM
T=ηℏc3kBGM
O que também vai de acordo com o resultado obtido por Hawking T=ηℏc38πGkBM
e) Substituindo os dados experimentais na equação da temperatura, obtém-se que:
η=TMGkBℏc3=0,04≈18π
Para o caso de Sagittarius A:
TS=ηℏc3kBGM=1,54⋅10−14K