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Órbitas satelitales
Problema
2025 · Ordinaria · Suplente
A-b2
Examen

Se quiere poner en órbita un satélite de 200 kg200 \text{ kg} para que dé dos vueltas a la Tierra cada día. Suponiendo que la órbita sea circular, calcule razonadamente:

i) el radio de la órbita a la que hay que colocar el satélite;ii) la velocidad orbital;iii) el módulo del momento angular del satélite.

Datos: G=6,67⋅10−11 N⋅m2⋅kg−2G = 6,67 \cdot 10^{-11} \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{kg}^{-2}; MT=5,98⋅1024 kgM_T = 5,98 \cdot 10^{24} \text{ kg}; RT=6370 kmR_T = 6370 \text{ km}; 1 dıˊa=24 h1 \text{ día} = 24 \text{ h}

Velocidad orbitalMomento angularLeyes de Kepler
TierramFgv
i) Para que el satélite se encuentre en una órbita circular estable, la fuerza gravitatoria debe actuar como fuerza centrípeta. Partimos de la igualdad de sus módulos:
GMTmr2=mv2rG \frac{M_T m}{r^2} = m \frac{v^2}{r}

Sabiendo que la velocidad orbital en una trayectoria circular es v=2πrTv = \frac{2\pi r}{T}, sustituimos en la expresión anterior para obtener la tercera ley de Kepler:

GMTr2=4π2rT2  ⟹  r3=GMTT24π2G \frac{M_T}{r^2} = \frac{4\pi^2 r}{T^2} \implies r^3 = \frac{G M_T T^2}{4\pi^2}

Primero convertimos el periodo TT al Sistema Internacional. Si el satélite da dos vueltas al día, el periodo para una sola vuelta es de 12 horas:

T=12 h⋅3600 s1 h=43200 sT = 12 \text{ h} \cdot \frac{3600 \text{ s}}{1 \text{ h}} = 43200 \text{ s}

Calculamos el radio de la órbita rr:

r=6,67⋅10−11 N⋅m2⋅kg−2⋅5,98⋅1024 kg⋅(43200 s)24π23r = \sqrt[3]{\frac{6,67 \cdot 10^{-11} \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{kg}^{-2} \cdot 5,98 \cdot 10^{24} \text{ kg} \cdot (43200 \text{ s})^2}{4\pi^2}}
r≈2,66⋅107 mr \approx 2,66 \cdot 10^7 \text{ m}
ii) La velocidad orbital se puede obtener a partir de la relación entre la longitud de la circunferencia y el periodo orbital:
v=2πrTv = \frac{2\pi r}{T}
v=2π⋅2,66⋅107 m43200 s≈3869,06 m⋅s−1v = \frac{2\pi \cdot 2,66 \cdot 10^7 \text{ m}}{43200 \text{ s}} \approx 3869,06 \text{ m} \cdot \text{s}^{-1}
iii) El módulo del momento angular L⃗\vec{L} de un satélite en órbita circular, respecto al centro de la Tierra, se define como el producto vectorial del vector posición y el vector cantidad de movimiento. Al ser perpendiculares en una órbita circular (sin⁡90∘=1\sin 90^\circ = 1), su módulo es:
L=m⋅v⋅rL = m \cdot v \cdot r

Sustituyendo los valores obtenidos anteriormente:

L=200 kg⋅3869,06 m⋅s−1⋅2,66⋅107 mL = 200 \text{ kg} \cdot 3869,06 \text{ m} \cdot \text{s}^{-1} \cdot 2,66 \cdot 10^7 \text{ m}
L≈2,06⋅1013 kg⋅m2⋅s−1L \approx 2,06 \cdot 10^{13} \text{ kg} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{s}^{-1}