FísicaMedio1 pts

Satélites, órbitas y leyes de Kepler

Castilla y León · 2021 · Junio
Enunciado
Un objeto de masa m=104 kgm = 10^4\ \text{kg} se encuentra en una órbita circular a 30000 km30000\ \text{km} de la superficie de la Tierra. ¿Qué energía será necesario aportarle para que pueda escapar de la gravedad terrestre?

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=GMTm2(RT+h)=5,48⋅1010 J  \boxed{\;\Delta E = \frac{G M_T m}{2(R_T + h)} = 5{,}48\cdot 10^{10}\ \text{J}\;}
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Estrategia

Un satélite en órbita circular tiene energía mecánica negativa, Em=−GMm/(2r)E_m = -GMm/(2r), porque está ligado a la Tierra. Para escapar debe llegar al infinito (donde Ep=0E_p = 0) con, como mínimo, velocidad nula: su energía mecánica final debe ser 00. La energía que hay que aportarle es la diferencia, 0−Em0 - E_m.
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Desarrollo

La altura se mide desde la superficie, así que el radio de la órbita es:r=RT+h=6,37⋅106+3,00⋅107=3,637⋅107 mr = R_T + h = 6{,}37\cdot 10^{6} + 3{,}00\cdot 10^{7} = 3{,}637\cdot 10^{7}\ \text{m}En la órbita circular la fuerza gravitatoria hace de fuerza centrípeta:GMTmr2=mv2r⟹Ec=12mv2=GMTm2r\frac{G M_T m}{r^2} = \frac{m v^2}{r}\quad\Longrightarrow\quad E_c = \frac{1}{2} m v^2 = \frac{G M_T m}{2r}Sumando la energía potencial, Ep=−GMTm/rE_p = -G M_T m/r, la energía mecánica en la órbita es:Em=Ec+Ep=−GMTm2r=−6,67⋅10−11⋅5,98⋅1024⋅1042⋅3,637⋅107=−5,48⋅1010 JE_m = E_c + E_p = -\frac{G M_T m}{2r} = -\frac{6{,}67\cdot 10^{-11}\cdot 5{,}98\cdot 10^{24}\cdot 10^{4}}{2\cdot 3{,}637\cdot 10^{7}} = -5{,}48\cdot 10^{10}\ \text{J}Para escapar, el objeto debe alcanzar el infinito con energía mecánica nula (energía cinética nula y Ep=0E_p = 0). La energía que hay que aportarle es:ΔE=Em,∞−Em=0−(−5,48⋅1010)=5,48⋅1010 J\Delta E = E_{m,\infty} - E_m = 0 - \left(-5{,}48\cdot 10^{10}\right) = 5{,}48\cdot 10^{10}\ \text{J}Es justo igual a su energía cinética en la órbita: hay que duplicar su energía cinética, lo que equivale a multiplicar su velocidad orbital (v=GMT/r=3,31⋅103 m/sv = \sqrt{GM_T/r} = 3{,}31\cdot 10^{3}\ \text{m/s}) por 2\sqrt 2.
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Consejo

La energía para escapar desde una órbita no es GMm/rG M m/r (eso sería desde el reposo a esa distancia): el satélite ya tiene energía cinética, así que solo falta GMm/(2r)G M m/(2r).

Y suma siempre el radio de la Tierra: «a 30000 km de la superficie» no es el radio de la órbita.
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