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Órbitas elípticas, leyes de Kepler y conservación de energía
Problema
2024 · Extraordinaria · Titular
A1
Examen

Un satélite de comunicaciones orbita alrededor de la Tierra en una trayectoria elíptica cuyo apogeo se encuentra a 39700 km39700 \text{ km} de altitud sobre la superficie de la Tierra. Si el satélite da una vuelta completa cada 12 h12 \text{ h}, determine:

a) La altura sobre la superficie terrestre a la que se encontrará el satélite en el perigeo de su trayectoria y la relación entre sus velocidades en el perigeo y en el apogeo (vp/vav_p/v_a).b) La velocidad del satélite en el perigeo y la velocidad hasta la que habría que reducir al satélite para que pasase de una órbita elíptica a una órbita circular de radio igual a la distancia al perigeo.

Datos: Constante de Gravitación Universal, G=6,671011 Nm2/kg2G = 6,67 \cdot 10^{-11} \text{ N} \cdot \text{m}^2 / \text{kg}^2; Masa de la Tierra, MT=5,971024 kgM_T = 5,97 \cdot 10^{24} \text{ kg}; Radio de la Tierra, RT=6,37106 mR_T = 6,37 \cdot 10^6 \text{ m}.

GravedadÓrbitasKepler+1
a) La altura sobre la superficie terrestre a la que se encontrará el satélite en el perigeo de su trayectoria y la relación entre sus velocidades en el perigeo y en el apogeo (vp/vav_p/v_a).

Primero, convertimos las unidades dadas al Sistema Internacional:

RT=6,37106 mR_T = 6,37 \cdot 10^6 \text{ m}
ha=39700 km=39700103 m=3,97107 mh_a = 39700 \text{ km} = 39700 \cdot 10^3 \text{ m} = 3,97 \cdot 10^7 \text{ m}
T=12 h=123600 s=43200 sT = 12 \text{ h} = 12 \cdot 3600 \text{ s} = 43200 \text{ s}

Calculamos el radio de la órbita en el apogeo, que es la distancia desde el centro de la Tierra al satélite:

ra=RT+ha=6,37106 m+3,97107 m=4,607107 mr_a = R_T + h_a = 6,37 \cdot 10^6 \text{ m} + 3,97 \cdot 10^7 \text{ m} = 4,607 \cdot 10^7 \text{ m}

Para determinar la altura en el perigeo, necesitamos encontrar el semieje mayor (aa) de la órbita elíptica. Utilizamos la Tercera Ley de Kepler:

T2=4π2GMTa3T^2 = \frac{4\pi^2}{G M_T} a^3

Despejamos aa:

a=(GMTT24π2)1/3a = \left( \frac{G M_T T^2}{4\pi^2} \right)^{1/3}

Sustituimos los valores:

a=((6,671011 Nm2/kg2)(5,971024 kg)(43200 s)24π2)1/3a = \left( \frac{(6,67 \cdot 10^{-11} \text{ N} \cdot \text{m}^2 / \text{kg}^2) \cdot (5,97 \cdot 10^{24} \text{ kg}) \cdot (43200 \text{ s})^2}{4\pi^2} \right)^{1/3}
a=((3,9821014 m3/s2)(1,866109 s2)39,478)1/3a = \left( \frac{(3,982 \cdot 10^{14} \text{ m}^3 / \text{s}^2) \cdot (1,866 \cdot 10^9 \text{ s}^2)}{39,478} \right)^{1/3}
a=(1,8821022)1/3 m2,659107 ma = (1,882 \cdot 10^{22})^{1/3} \text{ m} \approx 2,659 \cdot 10^7 \text{ m}

En una órbita elíptica, la relación entre el semieje mayor, el radio del apogeo (rar_a) y el radio del perigeo (rpr_p) es 2a=ra+rp2a = r_a + r_p. Despejamos rpr_p:

rp=2ara=2(2,659107 m)(4,607107 m)r_p = 2a - r_a = 2 \cdot (2,659 \cdot 10^7 \text{ m}) - (4,607 \cdot 10^7 \text{ m})
rp=5,318107 m4,607107 m=0,711107 m=7,11106 mr_p = 5,318 \cdot 10^7 \text{ m} - 4,607 \cdot 10^7 \text{ m} = 0,711 \cdot 10^7 \text{ m} = 7,11 \cdot 10^6 \text{ m}

La altura sobre la superficie terrestre en el perigeo (hph_p) se calcula como:

hp=rpRT=7,11106 m6,37106 m=0,74106 mh_p = r_p - R_T = 7,11 \cdot 10^6 \text{ m} - 6,37 \cdot 10^6 \text{ m} = 0,74 \cdot 10^6 \text{ m}
hp=7,40105 m=740 kmh_p = 7,40 \cdot 10^5 \text{ m} = 740 \text{ km}

Para la relación entre las velocidades en el perigeo (vpv_p) y en el apogeo (vav_a), aplicamos la conservación del momento angular. Dado que en estos puntos la velocidad es perpendicular al radiovector, la magnitud del momento angular es L=mrvL = mrv:

mrpvp=mravam r_p v_p = m r_a v_a

Despejamos la relación vp/vav_p/v_a:

vpva=rarp=4,607107 m7,11106 m6,479\frac{v_p}{v_a} = \frac{r_a}{r_p} = \frac{4,607 \cdot 10^7 \text{ m}}{7,11 \cdot 10^6 \text{ m}} \approx 6,479
b) La velocidad del satélite en el perigeo y la velocidad hasta la que habría que reducir al satélite para que pasase de una órbita elíptica a una órbita circular de radio igual a la distancia al perigeo.

La velocidad del satélite en cualquier punto de una órbita elíptica se puede calcular con la siguiente fórmula, donde rr es la distancia desde el centro de fuerzas y aa es el semieje mayor:

v2=GMT(2r1a)v^2 = G M_T \left( \frac{2}{r} - \frac{1}{a} \right)

Para la velocidad en el perigeo (vpv_p), donde r=rpr = r_p:

vp2=GMT(2rp1a)v_p^2 = G M_T \left( \frac{2}{r_p} - \frac{1}{a} \right)

Calculamos GMT=(6,671011 Nm2/kg2)(5,971024 kg)=3,9821014 m3/s2G M_T = (6,67 \cdot 10^{-11} \text{ N} \cdot \text{m}^2 / \text{kg}^2) \cdot (5,97 \cdot 10^{24} \text{ kg}) = 3,982 \cdot 10^{14} \text{ m}^3 / \text{s}^2.

vp2=(3,9821014 m3/s2)(27,11106 m12,659107 m)v_p^2 = (3,982 \cdot 10^{14} \text{ m}^3 / \text{s}^2) \left( \frac{2}{7,11 \cdot 10^6 \text{ m}} - \frac{1}{2,659 \cdot 10^7 \text{ m}} \right)
vp2=(3,9821014)(0,281310620,0376106) m2/s2v_p^2 = (3,982 \cdot 10^{14}) (0,2813 \cdot 10^{-6} \cdot 2 - 0,0376 \cdot 10^{-6}) \text{ m}^2 / \text{s}^2
vp2=(3,9821014)(0,56261060,0376106) m2/s2v_p^2 = (3,982 \cdot 10^{14}) (0,5626 \cdot 10^{-6} - 0,0376 \cdot 10^{-6}) \text{ m}^2 / \text{s}^2
vp2=(3,9821014)(0,5250106) m2/s2=2,090108 m2/s2v_p^2 = (3,982 \cdot 10^{14}) (0,5250 \cdot 10^{-6}) \text{ m}^2 / \text{s}^2 = 2,090 \cdot 10^8 \text{ m}^2 / \text{s}^2
vp=2,090108 m2/s214457 m/s=1,45104 m/sv_p = \sqrt{2,090 \cdot 10^8 \text{ m}^2 / \text{s}^2} \approx 14457 \text{ m/s} = 1,45 \cdot 10^4 \text{ m/s}

Para que el satélite pase a una órbita circular de radio igual a la distancia al perigeo (rpr_p), su velocidad debe ser la velocidad orbital circular (vc,pv_{c,p}) para ese radio:

vc,p=GMTrpv_{c,p} = \sqrt{\frac{G M_T}{r_p}}
vc,p=3,9821014 m3/s27,11106 m m/sv_{c,p} = \sqrt{\frac{3,982 \cdot 10^{14} \text{ m}^3 / \text{s}^2}{7,11 \cdot 10^6 \text{ m}}} \text{ m/s}
vc,p=5,601107 m2/s27484 m/s=7,48103 m/sv_{c,p} = \sqrt{5,601 \cdot 10^7 \text{ m}^2 / \text{s}^2} \approx 7484 \text{ m/s} = 7,48 \cdot 10^3 \text{ m/s}

La velocidad hasta la que habría que reducir el satélite es la diferencia entre su velocidad en el perigeo (vpv_p) y la velocidad circular (vc,pv_{c,p}):

Δv=vpvc,p=14457 m/s7484 m/s=6973 m/s\Delta v = v_p - v_{c,p} = 14457 \text{ m/s} - 7484 \text{ m/s} = 6973 \text{ m/s}