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Satélites, órbitas y leyes de Kepler

Castilla y León · 2021 · Junio
Enunciado
Dos satélites describen órbitas circulares de radios R1R_1 y R2R_2 alrededor de la Tierra. Ambos satélites tienen la misma masa y R1>R2R_1 > R_2. Indique razonadamente cuál de los dos satélites tiene mayor energía mecánica.
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Resultado
El satélite de mayor radio, el 1, tiene mayor energía mecánica: Em=−GMTm/(2r)E_m = -G M_T m/(2r) es negativa y crece (se acerca a cero) al aumentar rr.
Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo
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Estrategia

Se deduce la energía mecánica de un satélite en órbita circular igualando la fuerza gravitatoria a la centrípeta: sale Em=−GMm/(2r)E_m = -GMm/(2r), negativa y que depende solo del radio (con la misma masa). Después se comparan los dos valores fijándose en el signo.
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Desarrollo

En una órbita circular de radio rr, la fuerza gravitatoria es la 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}mv^2 = \frac{G M_T m}{2r}Con la energía potencial Ep=−GMTm/rE_p = -G M_T m/r (origen en el infinito), la energía mecánica es:Em=Ec+Ep=GMTm2r−GMTmr=−GMTm2rE_m = E_c + E_p = \frac{G M_T m}{2r} - \frac{G M_T m}{r} = -\frac{G M_T m}{2r}Para los dos satélites, que tienen la misma masa:Em,1=−GMTm2R1Em,2=−GMTm2R2E_{m,1} = -\frac{G M_T m}{2R_1}\qquad E_{m,2} = -\frac{G M_T m}{2R_2}Como R1>R2R_1 > R_2, el valor absoluto de Em,1E_{m,1} es menor que el de Em,2E_{m,2}; al ser las dos negativas, Em,1E_{m,1} es la menos negativa:Em,1>Em,2E_{m,1} > E_{m,2}Tiene mayor energía mecánica el satélite 1, el de la órbita más alta. Aunque va más despacio (menos energía cinética), su energía potencial es mucho mayor (menos negativa) y eso pesa el doble. Por eso hay que aportar energía para subir un satélite a una órbita más alta.
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Consejo

Con energías negativas, «mayor» es la más cercana a cero, no la de mayor valor absoluto.

No confundas: la órbita más alta tiene menos energía cinética, pero más energía mecánica.
Paso 1 de 3
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