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Satélites, órbitas y leyes de Kepler

Castilla y León · 2022 · Julio
Enunciado
Deimos es un satélite que gira alrededor de Marte en una órbita circular de 23460 km23460\ \text{km} de radio con un periodo orbital de 30,330{,}3 horas. Determine el valor de la intensidad gravitatoria debida a Marte en un punto de la órbita de Deimos.
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Resultado
  g=4π2rT2=7,78⋅10−2 N/kg  (hacia el centro de Marte)  \boxed{\;g = \frac{4\pi^2 r}{T^2} = 7{,}78\cdot 10^{-2}\ \text{N/kg}\ \ (\text{hacia el centro de Marte})\;}
Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo
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Estrategia

No conocemos la masa de Marte, pero no hace falta: en una órbita circular la única fuerza sobre el satélite es la gravitatoria, y por eso la intensidad del campo en la órbita coincide con la aceleración centrípeta del satélite, g=ω2rg = \omega^2 r. Basta con calcular la velocidad angular a partir del periodo.
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Desarrollo

Pasamos los datos al SI:r=23460 km=2,346⋅107 mT=30,3 h⋅3600 s/h=1,0908⋅105 sr = 23460\ \text{km} = 2{,}346\cdot 10^{7}\ \text{m}\qquad T = 30{,}3\ \text{h}\cdot 3600\ \text{s/h} = 1{,}0908\cdot 10^{5}\ \text{s}Sobre Deimos solo actúa la fuerza gravitatoria de Marte, que es la fuerza centrípeta de su movimiento circular. Por la segunda ley de Newton:m g=m ω2r⟹g=ω2r=4π2rT2m\,g = m\,\omega^2 r\quad\Longrightarrow\quad g = \omega^2 r = \frac{4\pi^2 r}{T^2}La masa de Deimos se simplifica. Sustituyendo:g=4π2⋅2,346⋅107(1,0908⋅105)2=7,78⋅10−2 N/kgg = \frac{4\pi^2\cdot 2{,}346\cdot 10^{7}}{\left(1{,}0908\cdot 10^{5}\right)^2} = 7{,}78\cdot 10^{-2}\ \text{N/kg}El campo apunta hacia el centro de Marte (es la dirección de la aceleración centrípeta).

Como comprobación, de g=GM/r2g = GM/r^2 se obtendría MMarte=g r2/G≈6,42⋅1023 kgM_{\text{Marte}} = g\,r^2/G \approx 6{,}42\cdot 10^{23}\ \text{kg}, que es la masa real de Marte.
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Consejo

En una órbita circular, la intensidad del campo gravitatorio en la órbita es la aceleración centrípeta del satélite. Si no te dan la masa del planeta, no la busques: sale g=4π2r/T2g = 4\pi^2 r/T^2.

No olvides pasar las horas a segundos y los kilómetros a metros antes de sustituir.
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