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Satélites, órbitas y leyes de Kepler

Extremadura · 2019 · Junio · Opción A
Enunciado
Un satélite artificial recorre una órbita circular de radio doble que el radio terrestre. Si en la superficie de la Tierra la intensidad de campo gravitatorio es 9,80 N/kg. Encontrar el valor de la velocidad del satélite.

Datos: radio de la Tierra =6370 km= 6370\ \text{km}. (Calificación, 2 puntos).
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Resultado
  v=g0 RT2=5,59⋅103 m/s≈5,59 km/s  \boxed{\;v = \sqrt{\frac{g_0\,R_T}{2}} = 5{,}59\cdot 10^{3}\ \text{m/s} \approx 5{,}59\ \text{km/s}\;}
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Estrategia

En una órbita circular, la fuerza gravitatoria hace de fuerza centrípeta, y de ahí sale v=GM/rv = \sqrt{GM/r}. No nos dan ni GG ni la masa de la Tierra, pero sí g0g_0 y RTR_T: el producto GMTGM_T se sustituye por g0RT2g_0 R_T^2. Con r=2RTr = 2R_T queda una expresión muy sencilla.
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Desarrollo

Igualamos la fuerza gravitatoria con la centrípeta para el satélite de masa mm en la órbita de radio rr:G MT mr2=m v2r⟹v=G MTr\frac{G\,M_T\,m}{r^2} = \frac{m\,v^2}{r}\quad\Longrightarrow\quad v = \sqrt{\frac{G\,M_T}{r}}En la superficie terrestre, g0=G MTRT2g_0 = \dfrac{G\,M_T}{R_T^2}, así que G MT=g0 RT2G\,M_T = g_0\,R_T^2. Con r=2RTr = 2R_T:v=g0 RT22RT=g0 RT2v = \sqrt{\frac{g_0\,R_T^2}{2R_T}} = \sqrt{\frac{g_0\,R_T}{2}}Pasamos el radio al SI, RT=6370 km=6,37⋅106 mR_T = 6370\ \text{km} = 6{,}37\cdot 10^{6}\ \text{m}:v=9,80⋅6,37⋅1062=3,12⋅107=5,59⋅103 m/sv = \sqrt{\frac{9{,}80\cdot 6{,}37\cdot 10^{6}}{2}} = \sqrt{3{,}12\cdot 10^{7}} = 5{,}59\cdot 10^{3}\ \text{m/s}Es menor que la velocidad orbital rasante (unos 7,9 km/s7{,}9\ \text{km/s}): cuanto más alejada está la órbita, más despacio va el satélite. En esa órbita el campo vale g0/4=2,45 N/kgg_0/4 = 2{,}45\ \text{N/kg}, y el satélite tarda unas 4 horas en dar una vuelta.
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
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Consejo

Cuando el enunciado da g0g_0 y RTR_T en lugar de GG y MTM_T, sustituye siempre GMT=g0RT2GM_T = g_0 R_T^2. Es el truco que más se repite en los problemas de satélites.

Ojo con la altura: «radio doble que el terrestre» significa r=2RTr = 2R_T, es decir, una altura h=RTh = R_T.
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