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Satélites, órbitas y leyes de Kepler

Castilla y León · 2022 · Junio
Enunciado
Calcule la densidad media de Júpiter sabiendo que su radio es RJ=6,99⋅104 kmR_J = 6{,}99\cdot 10^{4}\ \text{km} y que su satélite Calisto describe una órbita de radio r=1,88⋅106 kmr = 1{,}88\cdot 10^{6}\ \text{km} en 16,916{,}9 días.

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}.
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Resultado
  MJ=1,84⋅1027 kgρ=1,29⋅103 kg/m3  \boxed{\;M_J = 1{,}84\cdot 10^{27}\ \text{kg}\qquad \rho = 1{,}29\cdot 10^{3}\ \text{kg/m}^3\;}
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Estrategia

El movimiento de Calisto permite «pesar» Júpiter: en una órbita circular la fuerza gravitatoria hace de fuerza centrípeta, y de ahí sale la tercera ley de Kepler con la masa del planeta. Con la masa y el volumen de una esfera de radio RJR_J se obtiene la densidad.
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Desarrollo

Pasamos los datos al SI:RJ=6,99⋅107 mr=1,88⋅109 mT=16,9⋅86 400=1,46⋅106 sR_J = 6{,}99\cdot 10^{7}\ \text{m}\qquad r = 1{,}88\cdot 10^{9}\ \text{m}\qquad T = 16{,}9\cdot 86\,400 = 1{,}46\cdot 10^{6}\ \text{s}La fuerza gravitatoria de Júpiter sobre Calisto es la fuerza centrípeta de su órbita:GMJmr2=m ω2r=m(2πT)2r⟹MJ=4π2r3G T2\frac{G M_J m}{r^2} = m\,\omega^2 r = m\left(\frac{2\pi}{T}\right)^2 r\quad\Longrightarrow\quad M_J = \frac{4\pi^2 r^3}{G\,T^2}MJ=4π2 (1,88⋅109)36,67⋅10−11 (1,46⋅106)2=1,84⋅1027 kgM_J = \frac{4\pi^2\,(1{,}88\cdot 10^{9})^3}{6{,}67\cdot 10^{-11}\,(1{,}46\cdot 10^{6})^2} = 1{,}84\cdot 10^{27}\ \text{kg}Volumen de Júpiter, supuesto esférico:V=43πRJ3=43π (6,99⋅107)3=1,43⋅1024 m3V = \frac{4}{3}\pi R_J^3 = \frac{4}{3}\pi\,(6{,}99\cdot 10^{7})^3 = 1{,}43\cdot 10^{24}\ \text{m}^3Densidad media:ρ=MJV=1,84⋅10271,43⋅1024=1,29⋅103 kg/m3\rho = \frac{M_J}{V} = \frac{1{,}84\cdot 10^{27}}{1{,}43\cdot 10^{24}} = 1{,}29\cdot 10^{3}\ \text{kg/m}^3Es solo un 30 % mayor que la del agua: Júpiter es un planeta gaseoso, formado sobre todo por hidrógeno y helio (la Tierra tiene una densidad de unos 5,5⋅103 kg/m35{,}5\cdot 10^{3}\ \text{kg/m}^3).
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Consejo

Juntando todo queda ρ=3πr3/(GT2RJ3)\rho = 3\pi r^3/(G T^2 R_J^3): no confundas el radio de la órbita rr (para la masa) con el radio del planeta RJR_J (para el volumen).

Pasa los kilómetros a metros y los días a segundos antes de elevar al cubo y al cuadrado: un error de unidades se multiplica por 10910^9.
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