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Satélites, órbitas y leyes de Kepler

Castilla y León · 2020 · Septiembre
Enunciado
CHEOPS es un satélite de la Agencia Espacial Europea, de 300 kg de masa, que se encuentra orbitando a 700 km de altura sobre la superficie terrestre en una órbita aproximadamente circular. Calcule la energía requerida para que, desde la superficie de la Tierra, el satélite pasara a describir dicha órbita.

Datos (de la tabla de constantes del examen): G=6,67⋅10−11 N m2 kg−2G = 6{,}67\cdot 10^{-11}\ \text{N}\,\text{m}^2\,\text{kg}^{-2}; RT=6,37⋅106 mR_T = 6{,}37\cdot 10^{6}\ \text{m}; MT=5,98⋅1024 kgM_T = 5{,}98\cdot 10^{24}\ \text{kg}.
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Resultado
  ΔE=G MT m(1RT−12r)=1,03⋅1010 J  \boxed{\;\Delta E = G\,M_T\,m\left(\frac{1}{R_T} - \frac{1}{2r}\right) = 1{,}03\cdot 10^{10}\ \text{J}\;}
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Estrategia

La energía que hay que comunicar al satélite es la diferencia entre su energía mecánica en la órbita y la que tiene en reposo en la superficie. En la superficie solo tiene energía potencial (despreciamos la rotación de la Tierra); en la órbita circular su energía mecánica es la mitad de la potencial, E=−GMm/2rE = -GMm/2r.
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Desarrollo

Radio de la órbita:r=RT+h=6,37⋅106+7,00⋅105=7,07⋅106 mr = R_T + h = 6{,}37\cdot 10^{6} + 7{,}00\cdot 10^{5} = 7{,}07\cdot 10^{6}\ \text{m}Energía en la superficie, con el satélite en reposo (despreciando la rotación terrestre):E0=Ep(RT)=−G MT mRT=−6,67⋅10−11⋅5,98⋅1024⋅3006,37⋅106=−1,88⋅1010 JE_0 = E_p(R_T) = -\frac{G\,M_T\,m}{R_T} = -\frac{6{,}67\cdot 10^{-11}\cdot 5{,}98\cdot 10^{24}\cdot 300}{6{,}37\cdot 10^{6}} = -1{,}88\cdot 10^{10}\ \text{J}En la órbita circular la gravedad es la fuerza centrípeta, GMTm/r2=mv2/rG M_T m/r^2 = m v^2/r, así que Ec=12mv2=GMTm2rE_c = \tfrac12 m v^2 = \dfrac{G M_T m}{2r} y la energía mecánica es:Eoˊrb=Ec+Ep=G MT m2r−G MT mr=−G MT m2r=−6,67⋅10−11⋅5,98⋅1024⋅3002⋅7,07⋅106=−8,46⋅109 JE_{\text{órb}} = E_c + E_p = \frac{G\,M_T\,m}{2r} - \frac{G\,M_T\,m}{r} = -\frac{G\,M_T\,m}{2r} = -\frac{6{,}67\cdot 10^{-11}\cdot 5{,}98\cdot 10^{24}\cdot 300}{2\cdot 7{,}07\cdot 10^{6}} = -8{,}46\cdot 10^{9}\ \text{J}La energía que hay que suministrar es la diferencia:ΔE=Eoˊrb−E0=−8,46⋅109−(−1,88⋅1010)=1,03⋅1010 J\Delta E = E_{\text{órb}} - E_0 = -8{,}46\cdot 10^{9} - \left(-1{,}88\cdot 10^{10}\right) = 1{,}03\cdot 10^{10}\ \text{J}Sale positiva, como debe ser: hay que dar energía al satélite para subirlo y, además, ponerlo a v=GMT/r=7,51 km/sv = \sqrt{G M_T/r} = 7{,}51\ \text{km/s}.
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
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Consejo

No basta con la diferencia de energía potencial: el satélite tiene que llegar a la órbita con su velocidad orbital. Por eso la energía final es −GMm/2r-GMm/2r, no −GMm/r-GMm/r.

Si te dan la rotación de la Tierra, réstale la energía cinética que ya tiene en la superficie.
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