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Satélites, órbitas y leyes de Kepler

Extremadura · 2021 · Junio
Enunciado
Un satélite orbita alrededor de un planeta describiendo una circunferencia de radio 5,6⋅107 m5{,}6\cdot 10^{7}\ \text{m} y tarda 12 h12\ \text{h} en dar una vuelta completa. Determine la masa del planeta.

Datos: constante de gravitación universal (G)=6,67⋅10−11 N m2/kg2(G) = 6{,}67\cdot 10^{-11}\ \text{N}\,\text{m}^2/\text{kg}^2. (Calificación, 2 puntos)
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Resultado
  M=4π2r3G T2≈5,57⋅1025 kg  \boxed{\;M = \frac{4\pi^2 r^3}{G\,T^2} \approx 5{,}57\cdot 10^{25}\ \text{kg}\;}
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Estrategia

En una órbita circular la fuerza gravitatoria del planeta hace de fuerza centrípeta. Con la velocidad escrita en función del periodo, v=2πr/Tv = 2\pi r/T, sale la tercera ley de Kepler, T2=4π2GM r3T^2 = \dfrac{4\pi^2}{GM}\,r^3, de la que se despeja la masa del planeta. La masa del satélite se simplifica y no hace falta.
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Desarrollo

Pasamos el periodo a segundos:T=12 h⋅3600 sh=43 200 sT = 12\ \text{h}\cdot 3600\ \frac{\text{s}}{\text{h}} = 43\,200\ \text{s}Igualamos la fuerza gravitatoria con la centrípeta (mm es la masa del satélite y MM la del planeta):G M mr2=m v2r⟹v2=G Mr\frac{G\,M\,m}{r^2} = m\,\frac{v^2}{r} \quad\Longrightarrow\quad v^2 = \frac{G\,M}{r}En un movimiento circular uniforme, v=2πr/Tv = 2\pi r/T. Sustituyendo:4π2r2T2=G Mr⟹T2=4π2G M r3\frac{4\pi^2 r^2}{T^2} = \frac{G\,M}{r} \quad\Longrightarrow\quad T^2 = \frac{4\pi^2}{G\,M}\,r^3que es la tercera ley de Kepler. Despejamos la masa:M=4π2 r3G T2=4π2 (5,6⋅107)36,67⋅10−11⋅(43 200)2=6,93⋅10240,1245=5,57⋅1025 kgM = \frac{4\pi^2\,r^3}{G\,T^2} = \frac{4\pi^2\,(5{,}6\cdot 10^{7})^3}{6{,}67\cdot 10^{-11}\cdot (43\,200)^2} = \frac{6{,}93\cdot 10^{24}}{0{,}1245} = 5{,}57\cdot 10^{25}\ \text{kg}Es unas nueve veces la masa de la Tierra (5,97⋅1024 kg5{,}97\cdot 10^{24}\ \text{kg}), algo menos que Urano (8,7⋅1025 kg8{,}7\cdot 10^{25}\ \text{kg}): un orden de magnitud razonable para un planeta. Como comprobación, la velocidad orbital es v=2πr/T=8,14⋅103 m/sv = 2\pi r/T = 8{,}14\cdot 10^{3}\ \text{m/s}.
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Consejo

Pasa el periodo a segundos antes de nada: con las horas el resultado sale 360023600^2 veces más grande y no te darás cuenta si no compruebas el orden de magnitud.

En el examen deduce la tercera ley de Kepler (fuerza gravitatoria = centrípeta) en vez de escribirla de memoria: suele valer parte de la nota.
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