FísicaFácil2 pts

Satélites, órbitas y leyes de Kepler

Extremadura · 2023 · Julio
Enunciado
Se quiere colocar un satélite en una órbita circular alrededor de la Tierra de tal manera que tarde 16 h16\ \text{h} en dar dos vueltas a nuestro planeta. Determine cuál debe ser el radio de la órbita.

Datos: G=6,67⋅10−11 N m2/kg2G = 6{,}67\cdot 10^{-11}\ \text{N}\,\text{m}^2/\text{kg}^2, masa de la Tierra =5,972⋅1024 kg= 5{,}972\cdot 10^{24}\ \text{kg}. (Calificación, 2 puntos).
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Resultado
  r=2,03⋅107 m ≈20 300 km  (medido desde el centro de la Tierra)  \boxed{\;r = 2{,}03\cdot 10^{7}\ \text{m}\ \approx 20\,300\ \text{km}\ \ (\text{medido desde el centro de la Tierra})\;}
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Estrategia

Si da dos vueltas en 16 h, su periodo (una vuelta) es de 8 h. En una órbita circular la fuerza gravitatoria hace de fuerza centrípeta; con v=2πr/Tv = 2\pi r/T se llega a la tercera ley de Kepler, T2=4π2r3/(GMT)T^2 = 4\pi^2 r^3/(GM_T), y se despeja rr.
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Desarrollo

Periodo del satélite (tiempo de una vuelta), en segundos:T=16 h2=8 h=8⋅3600=28 800 sT = \frac{16\ \text{h}}{2} = 8\ \text{h} = 8\cdot 3600 = 28\,800\ \text{s}La fuerza gravitatoria es la fuerza centrípeta del movimiento circular:G MT mr2=m v2rconv=2πrT\frac{G\,M_T\,m}{r^2} = \frac{m\,v^2}{r}\qquad\text{con}\qquad v = \frac{2\pi r}{T}G MTr2=4π2rT2⟹T2=4π2G MT r3\frac{G\,M_T}{r^2} = \frac{4\pi^2 r}{T^2}\quad\Longrightarrow\quad T^2 = \frac{4\pi^2}{G\,M_T}\,r^3que es la tercera ley de Kepler. Despejamos el radio:r=G MT T24π23=6,67⋅10−11⋅5,972⋅1024⋅(28 800)24π23=2,03⋅107 mr = \sqrt[3]{\frac{G\,M_T\,T^2}{4\pi^2}} = \sqrt[3]{\frac{6{,}67\cdot 10^{-11}\cdot 5{,}972\cdot 10^{24}\cdot \left(28\,800\right)^2}{4\pi^2}} = 2{,}03\cdot 10^{7}\ \text{m}Es un radio de unos 20 300 km20\,300\ \text{km}, es decir, unos 13 900 km13\,900\ \text{km} sobre la superficie terrestre (con RT=6370 kmR_T = 6370\ \text{km}). Tiene sentido: está por debajo de la órbita geoestacionaria (42 200 km42\,200\ \text{km}, periodo de 24 h), porque su periodo es menor. Su velocidad orbital es v=2πr/T=4,43 km/sv = 2\pi r/T = 4{,}43\ \text{km/s}.
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Consejo

Lee bien el dato del tiempo: «16 h en dar dos vueltas» significa T=8 hT = 8\ \text{h}. Meter las 16 h como periodo da un radio 22/3≈1,62^{2/3} \approx 1{,}6 veces mayor.

El radio que sale de Kepler es al centro de la Tierra; si te pidieran la altura, réstale RTR_T.
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