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Satélites, órbitas y leyes de Kepler

Castilla y León · 2023 · Junio
Enunciado
Razone si la siguiente afirmación es correcta: «El valor de la energía mecánica de un satélite que orbita alrededor de un planeta es la mitad del valor de su energía potencial».
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Resultado
Correcta (órbita circular): Em=−GMm2r=Ep2=−EcE_m = -\dfrac{GMm}{2r} = \dfrac{E_p}{2} = -E_c.
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Estrategia

En una órbita circular, la condición de órbita (fuerza gravitatoria igual a fuerza centrípeta) fija la velocidad y, con ella, la energía cinética. Se escriben las energías cinética, potencial y mecánica en función del radio y se comparan.
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Desarrollo

Es correcta para un satélite en órbita circular.

Sea un satélite de masa mm en órbita circular de radio rr alrededor de un planeta de masa MM. La fuerza gravitatoria actúa como fuerza centrípeta: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}Energía cinética y energía potencial (con el origen de energías potenciales en el infinito):Ec=12 m v2=G M m2rEp=−G M mrE_c = \frac12\,m\,v^2 = \frac{G\,M\,m}{2r}\qquad E_p = -\frac{G\,M\,m}{r}Energía mecánica:Em=Ec+Ep=G M m2r−G M mr=−G M m2r=Ep2E_m = E_c + E_p = \frac{G\,M\,m}{2r} - \frac{G\,M\,m}{r} = -\frac{G\,M\,m}{2r} = \frac{E_p}{2}La energía mecánica es la mitad de la energía potencial (las dos negativas) y, además, Em=−EcE_m = -E_c. Que sea negativa indica que el satélite está ligado al planeta.

Matiz: la relación se deduce de la condición de órbita circular. En una órbita elíptica la energía mecánica es constante, Em=−GMm/(2a)E_m = -GMm/(2a) con aa el semieje mayor, pero la energía potencial cambia de un punto a otro, así que Em=Ep/2E_m = E_p/2 solo se cumple en los puntos de la órbita que están a una distancia r=ar = a del planeta.
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Consejo

En las cuestiones de satélites, deduce la relación desde la condición de órbita: v² = GM/r. No basta con escribir E = −GMm/2r de memoria; el corrector quiere ver de dónde sale.
Paso 1 de 3
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