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Satélites, órbitas y leyes de Kepler

Castilla y León · 2023 · Junio
Enunciado
Un satélite artificial de 100 kg100\ \text{kg} describe una órbita circular alrededor de la Tierra. La gravedad en un punto de su órbita es la mitad que la gravedad en la superficie terrestre. Determine el valor de su energía cinética y potencial.

Datos (de la tabla de constantes del examen): g0=9,80 m s−2g_0 = 9{,}80\ \text{m}\,\text{s}^{-2}; RT=6,37⋅106 mR_T = 6{,}37\cdot 10^{6}\ \text{m}.
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Resultado
  Ec=2,21⋅109 JEp=−4,41⋅109 J  \boxed{\;E_c = 2{,}21\cdot 10^{9}\ \text{J}\qquad E_p = -4{,}41\cdot 10^{9}\ \text{J}\;}
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Estrategia

La gravedad disminuye con el cuadrado de la distancia al centro de la Tierra, así que g=g0/2g = g_0/2 fija el radio de la órbita: r=2 RTr = \sqrt{2}\,R_T. En la órbita circular, la fuerza gravitatoria es la centrípeta, de donde v2=g rv^2 = g\,r; con eso, Ec=12mgrE_c = \tfrac12 m g r y Ep=−GMTm/r=−mgrE_p = -GM_Tm/r = -m g r.
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Desarrollo

Radio de la órbita. Como g=GMT/r2g = GM_T/r^2 y g0=GMT/RT2g_0 = GM_T/R_T^2:gg0=RT2r2=12⟹r=2 RT=2⋅6,37⋅106=9,01⋅106 m\frac{g}{g_0} = \frac{R_T^2}{r^2} = \frac12\quad\Longrightarrow\quad r = \sqrt{2}\,R_T = \sqrt{2}\cdot 6{,}37\cdot 10^{6} = 9{,}01\cdot 10^{6}\ \text{m}(El satélite está a 2,64⋅106 m2{,}64\cdot 10^{6}\ \text{m} de altura.) En la órbita, la gravedad vale g=4,90 m/s2g = 4{,}90\ \text{m/s}^2.

Energía cinética. La fuerza gravitatoria hace de fuerza centrípeta, m g=m v2/rm\,g = m\,v^2/r, luego v2=g rv^2 = g\,r:Ec=12 m v2=12 m g r=12⋅100⋅4,90⋅9,009⋅106=2,21⋅109 JE_c = \frac12\,m\,v^2 = \frac12\,m\,g\,r = \frac12\cdot 100\cdot 4{,}90\cdot 9{,}009\cdot 10^{6} = 2{,}21\cdot 10^{9}\ \text{J}Energía potencial (origen en el infinito). Como GMT=g r2GM_T = g\,r^2:Ep=−G MT mr=−m g r=−100⋅4,90⋅9,009⋅106=−4,41⋅109 JE_p = -\frac{G\,M_T\,m}{r} = -m\,g\,r = -100\cdot 4{,}90\cdot 9{,}009\cdot 10^{6} = -4{,}41\cdot 10^{9}\ \text{J}Se cumple Ep=−2EcE_p = -2E_c, como en toda órbita circular, y la energía mecánica es Em=Ec+Ep=−2,21⋅109 JE_m = E_c + E_p = -2{,}21\cdot 10^{9}\ \text{J}: negativa, el satélite está ligado a la Tierra.

(Con GG y MTM_T de la tabla en lugar de g0g_0 y RTR_T saldría Ec=2,21⋅109 JE_c = 2{,}21\cdot 10^{9}\ \text{J} y Ep=−4,43⋅109 JE_p = -4{,}43\cdot 10^{9}\ \text{J}: la pequeña diferencia viene de que los datos de la tabla no casan exactamente.)
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Consejo

«La gravedad es la mitad» no significa que la altura sea la mitad del radio: g va con 1/r², así que r se multiplica por √2, y r se mide desde el centro de la Tierra.

Comprueba siempre que Ep = −2Ec en una órbita circular: es un control rápido de las cuentas.
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