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Campo gravitatorio
Problema
2018 · Ordinaria · Suplente
1B-b
Examen
b) Un satélite de masa 2103 kg2 \cdot 10^3 \text{ kg} describe una órbita circular de 5500 km5500 \text{ km} en torno a la Tierra. Calcule: (i) La velocidad orbital; (ii) la velocidad con que llegaría a la superficie terrestre si se dejara caer desde esa altura con velocidad inicial nula.

Datos: G=6,671011 Nm2kg2;MT=5,981024 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}

Energía mecánicaVelocidad de impacto
Satélite en órbita circular
TierraSatélite (2·10³ kg)Fgv

El radio orbital es la suma del radio terrestre más la altitud del satélite:

r=RT+h=6370 km+5500 km=11870 km=1,187107 mr = R_T + h = 6370 \text{ km} + 5500 \text{ km} = 11870 \text{ km} = 1{,}187 \cdot 10^7 \text{ m}
(i) Velocidad orbital

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

GMTmr2=mv2r    v=GMTr\frac{G M_T m}{r^2} = \frac{m v^2}{r} \implies v = \sqrt{\frac{G M_T}{r}}

Sustituyendo valores:

v=6,671011×5,9810241,187107v = \sqrt{\frac{6{,}67 \cdot 10^{-11} \times 5{,}98 \cdot 10^{24}}{1{,}187 \cdot 10^7}}
v=3,98910141,187107=3,361107v = \sqrt{\frac{3{,}989 \cdot 10^{14}}{1{,}187 \cdot 10^7}} = \sqrt{3{,}361 \cdot 10^7}
v5797 m/s5,80 km/s\boxed{v \approx 5797 \text{ m/s} \approx 5{,}80 \text{ km/s}}
(ii) Velocidad al llegar a la superficie terrestre (caída libre desde h = 5500 km)

Se aplica conservación de la energía mecánica entre la posición inicial (a distancia rr del centro, con velocidad inicial nula) y la superficie terrestre (a distancia RTR_T):

Ei=Ef    GMTmr+0=GMTmRT+12mvf2E_i = E_f \implies -\frac{G M_T m}{r} + 0 = -\frac{G M_T m}{R_T} + \frac{1}{2}m v_f^2

Despejando vfv_f:

vf=2GMT(1RT1r)v_f = \sqrt{2 G M_T \left(\frac{1}{R_T} - \frac{1}{r}\right)}

Calculando los términos entre paréntesis:

1RT=16,370106=1,570107 m1\frac{1}{R_T} = \frac{1}{6{,}370 \cdot 10^6} = 1{,}570 \cdot 10^{-7} \text{ m}^{-1}
1r=11,187107=8,425108 m1\frac{1}{r} = \frac{1}{1{,}187 \cdot 10^7} = 8{,}425 \cdot 10^{-8} \text{ m}^{-1}
1RT1r=1,5701078,425108=7,275108 m1\frac{1}{R_T} - \frac{1}{r} = 1{,}570 \cdot 10^{-7} - 8{,}425 \cdot 10^{-8} = 7{,}275 \cdot 10^{-8} \text{ m}^{-1}

Sustituyendo:

vf=2×6,671011×5,981024×7,275108v_f = \sqrt{2 \times 6{,}67 \cdot 10^{-11} \times 5{,}98 \cdot 10^{24} \times 7{,}275 \cdot 10^{-8}}
vf=2×3,9891014×7,275108=5,804107v_f = \sqrt{2 \times 3{,}989 \cdot 10^{14} \times 7{,}275 \cdot 10^{-8}} = \sqrt{5{,}804 \cdot 10^7}
vf7618 m/s7,62 km/s\boxed{v_f \approx 7618 \text{ m/s} \approx 7{,}62 \text{ km/s}}