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2018 · Extraordinaria · Suplente
1B-b
Examen

Un satélite artificial de 100 kg100 \text{ kg} se mueve en una órbita circular alrededor de la Tierra con una velocidad de 7,5⋅103 m⋅s−17,5 \cdot 10^{3} \text{ m} \cdot \text{s}^{-1}.

1. b) Calcule: (i) El radio de la órbita; (ii) la energía potencial del satélite; (iii) la energía mecánica del satélite.

Datos: G=6,67⋅10−11 N⋅m2⋅kg−2;MT=5,98⋅1024 kg;RT=6370 kmG = 6,67 \cdot 10^{-11} \text{ N} \cdot \text{m}^{2} \cdot \text{kg}^{-2}; M_{T} = 5,98 \cdot 10^{24} \text{ kg}; R_{T} = 6370 \text{ km}

Órbita circularEnergía potencialEnergía mecánica
TierraSatélite (100 kg)Fgv
b) (i) Radio de la órbita

Para una órbita circular, la fuerza gravitatoria proporciona la fuerza centrípeta:

GMTmr2=mv2r\frac{GM_T m}{r^2} = \frac{mv^2}{r}

Simplificando mm y despejando rr:

r=GMTv2r = \frac{GM_T}{v^2}

Sustituyendo valores:

r=6,67⋅10−11×5,98⋅1024(7,5⋅103)2=3,99⋅10145,625⋅107r = \frac{6{,}67 \cdot 10^{-11} \times 5{,}98 \cdot 10^{24}}{(7{,}5 \cdot 10^{3})^2} = \frac{3{,}99 \cdot 10^{14}}{5{,}625 \cdot 10^{7}}
r≈7,09⋅106 m=7090 kmr \approx 7{,}09 \cdot 10^{6} \text{ m} = 7090 \text{ km}

Como comprobación, la altitud sobre la superficie sería: h=r−RT=7090−6370=720 kmh = r - R_T = 7090 - 6370 = 720 \text{ km}, valor razonable para un satélite en órbita baja.

b) (ii) Energía potencial gravitatoria

La energía potencial gravitatoria del satélite a distancia rr del centro de la Tierra es:

Ep=−GMTmrE_p = -\frac{GM_T m}{r}

Sustituyendo valores:

Ep=−6,67⋅10−11×5,98⋅1024×1007,09⋅106E_p = -\frac{6{,}67 \cdot 10^{-11} \times 5{,}98 \cdot 10^{24} \times 100}{7{,}09 \cdot 10^{6}}
Ep=−3,99⋅10167,09⋅106≈−5,63⋅109 JE_p = -\frac{3{,}99 \cdot 10^{16}}{7{,}09 \cdot 10^{6}} \approx -5{,}63 \cdot 10^{9} \text{ J}
b) (iii) Energía mecánica total

La energía cinética del satélite es:

Ec=12mv2=12×100×(7,5⋅103)2=12×100×5,625⋅107=2,81⋅109 JE_c = \frac{1}{2}mv^2 = \frac{1}{2} \times 100 \times (7{,}5 \cdot 10^3)^2 = \frac{1}{2} \times 100 \times 5{,}625 \cdot 10^7 = 2{,}81 \cdot 10^9 \text{ J}

La energía mecánica total es la suma de la energía cinética y la energía potencial. Para una órbita circular se cumple la relación Ec=−Ep2E_c = -\frac{E_p}{2}, por lo que:

Emec=Ec+Ep=2,81⋅109+(−5,63⋅109)E_{mec} = E_c + E_p = 2{,}81 \cdot 10^9 + (-5{,}63 \cdot 10^9)
Emec≈−2,81⋅109 JE_{mec} \approx -2{,}81 \cdot 10^9 \text{ J}

El valor negativo de la energía mecánica es consistente con que el satélite se encuentra en una órbita ligada (estado ligado al campo gravitatorio terrestre).