Órbitas elípticas, leyes de Kepler y conservación de energía
Problema
2024 · Extraordinaria · Titular
A1
Un satélite de comunicaciones orbita alrededor de la Tierra en una trayectoria elíptica cuyo apogeo se encuentra a 39700 km de altitud sobre la superficie de la Tierra. Si el satélite da una vuelta completa cada 12 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/va).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=6,67⋅10−11 N⋅m2/kg2; Masa de la Tierra, MT=5,97⋅1024 kg; Radio de la Tierra, RT=6,37⋅106 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/va).
Primero, convertimos las unidades dadas al Sistema Internacional:
RT=6,37⋅106 m
ha=39700 km=39700⋅103 m=3,97⋅107 m
T=12 h=12⋅3600 s=43200 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=6,37⋅106 m+3,97⋅107 m=4,607⋅107 m
Para determinar la altura en el perigeo, necesitamos encontrar el semieje mayor (a) de la órbita elíptica. Utilizamos la Tercera Ley de Kepler:
En una órbita elíptica, la relación entre el semieje mayor, el radio del apogeo (ra) y el radio del perigeo (rp) es 2a=ra+rp. Despejamos rp:
rp=2a−ra=2⋅(2,659⋅107 m)−(4,607⋅107 m)
rp=5,318⋅107 m−4,607⋅107 m=0,711⋅107 m=7,11⋅106 m
La altura sobre la superficie terrestre en el perigeo (hp) se calcula como:
hp=rp−RT=7,11⋅106 m−6,37⋅106 m=0,74⋅106 m
hp=7,40⋅105 m=740 km
Para la relación entre las velocidades en el perigeo (vp) y en el apogeo (va), aplicamos la conservación del momento angular. Dado que en estos puntos la velocidad es perpendicular al radiovector, la magnitud del momento angular es L=mrv:
mrpvp=mrava
Despejamos la relación vp/va:
vavp=rpra=7,11⋅106 m4,607⋅107 m≈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 r es la distancia desde el centro de fuerzas y a es el semieje mayor:
v2=GMT(r2−a1)
Para la velocidad en el perigeo (vp), donde r=rp:
Para que el satélite pase a una órbita circular de radio igual a la distancia al perigeo (rp), su velocidad debe ser la velocidad orbital circular (vc,p) para ese radio:
vc,p=rpGMT
vc,p=7,11⋅106 m3,982⋅1014 m3/s2 m/s
vc,p=5,601⋅107 m2/s2≈7484 m/s=7,48⋅103 m/s
La velocidad hasta la que habría que reducir el satélite es la diferencia entre su velocidad en el perigeo (vp) y la velocidad circular (vc,p):