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2023 · Ordinaria · Titular
B1
Examen

En la película Space Cowboys un amenazador satélite militar orbita alrededor de la Tierra a una altura de 1600 km1600 \text{ km} sobre la superficie terrestre.

Imagen del ejercicio
a) Calcule la velocidad orbital del satélite y el tiempo que tarda en dar una vuelta completa alrededor de la Tierra. Desprecie en este apartado la interacción gravitatoria de la Luna.b) Para evitar que el satélite caiga a la Tierra se decide impulsarlo hacia la Luna. Determine la distancia xx al centro de la Tierra, tal y como se muestra en la figura, a la que tendrá que llegar el satélite, para que el efecto del campo gravitatorio lunar sea superior al del campo gravitatorio terrestre.

Datos: Constante de Gravitación Universal, G=6,671011 Nm2kg2G = 6,67 \cdot 10^{-11} \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{kg}^{-2}; Masa de la Tierra, MT=5,971024 kgM_T = 5,97 \cdot 10^{24} \text{ kg}; Radio de la Tierra; RT=6,37103 kmR_T = 6,37 \cdot 10^3 \text{ km}; Masa de la Luna, ML=7,351022 kgM_L = 7,35 \cdot 10^{22} \text{ kg}; Distancia de la Tierra a la Luna, d=3,84105 kmd = 3,84 \cdot 10^5 \text{ km}.

Velocidad orbitalPeriodo orbitalCampo gravitatorio+1
a) Calcule la velocidad orbital del satélite y el tiempo que tarda en dar una vuelta completa alrededor de la Tierra.

Para calcular la velocidad orbital (vv) y el periodo (TT) del satélite, primero determinamos el radio de la órbita (rr), que es la suma del radio de la Tierra (RTR_T) y la altura (hh) sobre la superficie terrestre.

RT=6,37103 km=6,37106 mR_T = 6,37 \cdot 10^3 \text{ km} = 6,37 \cdot 10^6 \text{ m}
h=1600 km=1,60106 mh = 1600 \text{ km} = 1,60 \cdot 10^6 \text{ m}
r=RT+h=6,37106 m+1,60106 m=7,97106 mr = R_T + h = 6,37 \cdot 10^6 \text{ m} + 1,60 \cdot 10^6 \text{ m} = 7,97 \cdot 10^6 \text{ m}

La fuerza gravitatoria proporciona la fuerza centrípeta necesaria para mantener la órbita. Por tanto, igualamos ambas fuerzas:

FG=FcF_G = F_c
GMTmr2=mv2rG \frac{M_T m}{r^2} = \frac{m v^2}{r}

Despejamos la velocidad orbital (vv):

v=GMTrv = \sqrt{\frac{G M_T}{r}}

Sustituimos los valores:

v=(6,671011 Nm2kg2)(5,971024 kg)7,97106 mv = \sqrt{\frac{(6,67 \cdot 10^{-11} \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{kg}^{-2}) \cdot (5,97 \cdot 10^{24} \text{ kg})}{7,97 \cdot 10^6 \text{ m}}}
v7068,39 m/sv \approx 7068,39 \text{ m/s}

Para calcular el tiempo que tarda en dar una vuelta completa (periodo TT), utilizamos la relación entre la velocidad, la distancia recorrida en una órbita (2πr2\pi r) y el tiempo:

v=2πrTv = \frac{2 \pi r}{T}

Despejamos TT:

T=2πrvT = \frac{2 \pi r}{v}

Sustituimos los valores:

T=2π(7,97106 m)7068,39 m/sT = \frac{2 \pi (7,97 \cdot 10^6 \text{ m})}{7068,39 \text{ m/s}}
T7084,5 sT \approx 7084,5 \text{ s}

Expresando el periodo en horas, minutos y segundos:

T=7084,5 s1 min60 s1 h60 min1,968 hT = 7084,5 \text{ s} \cdot \frac{1 \text{ min}}{60 \text{ s}} \cdot \frac{1 \text{ h}}{60 \text{ min}} \approx 1,968 \text{ h}
T1 h 58 min 4,5 sT \approx 1 \text{ h } 58 \text{ min } 4,5 \text{ s}
TierraSatéliteFgv
b) Para evitar que el satélite caiga a la Tierra se decide impulsarlo hacia la Luna. Determine la distancia xx al centro de la Tierra, tal y como se muestra en la figura, a la que tendrá que llegar el satélite, para que el efecto del campo gravitatorio lunar sea superior al del campo gravitatorio terrestre.

El efecto del campo gravitatorio lunar será superior al terrestre cuando la intensidad del campo gravitatorio generado por la Luna sea mayor que la generada por la Tierra. En el punto exacto donde el efecto de ambos sea igual, el satélite experimentaría una fuerza neta gravitatoria nula si se encontrara entre ambos cuerpos. Buscamos el punto de equilibrio donde ambas intensidades de campo gravitatorio son iguales:

gT=gLg_T = g_L

La intensidad del campo gravitatorio (gg) se define como:

g=GMr2g = G \frac{M}{r^2}

Sea xx la distancia desde el centro de la Tierra al satélite. La distancia desde el centro de la Luna al satélite será dxd-x, donde dd es la distancia Tierra-Luna. Igualamos las intensidades de campo:

GMTx2=GML(dx)2G \frac{M_T}{x^2} = G \frac{M_L}{(d-x)^2}

Simplificamos GG y reordenamos:

MTx2=ML(dx)2\frac{M_T}{x^2} = \frac{M_L}{(d-x)^2}
MT(dx)2=MLx2M_T (d-x)^2 = M_L x^2

Tomamos la raíz cuadrada en ambos lados (considerando distancias positivas):

MT(dx)=MLx\sqrt{M_T} (d-x) = \sqrt{M_L} x
MTdMTx=MLx\sqrt{M_T} d - \sqrt{M_T} x = \sqrt{M_L} x
MTd=(ML+MT)x\sqrt{M_T} d = (\sqrt{M_L} + \sqrt{M_T}) x

Despejamos xx:

x=MTdML+MT=d1+MLMTx = \frac{\sqrt{M_T} d}{\sqrt{M_L} + \sqrt{M_T}} = \frac{d}{1 + \sqrt{\frac{M_L}{M_T}}}

Sustituimos los valores:

MT=5,971024 kgM_T = 5,97 \cdot 10^{24} \text{ kg}
ML=7,351022 kgM_L = 7,35 \cdot 10^{22} \text{ kg}
d=3,84105 km=3,84108 md = 3,84 \cdot 10^5 \text{ km} = 3,84 \cdot 10^8 \text{ m}
MLMT=7,351022 kg5,971024 kg0,012310,11095\sqrt{\frac{M_L}{M_T}} = \sqrt{\frac{7,35 \cdot 10^{22} \text{ kg}}{5,97 \cdot 10^{24} \text{ kg}}} \approx \sqrt{0,01231} \approx 0,11095
x=3,84108 m1+0,11095=3,84108 m1,11095x = \frac{3,84 \cdot 10^8 \text{ m}}{1 + 0,11095} = \frac{3,84 \cdot 10^8 \text{ m}}{1,11095}
x3,4565108 mx \approx 3,4565 \cdot 10^8 \text{ m}

Convertimos a kilómetros:

x3,4565105 kmx \approx 3,4565 \cdot 10^5 \text{ km}

Para que el efecto del campo gravitatorio lunar sea superior al del terrestre, el satélite tendrá que llegar a una distancia xx mayor a la calculada desde el centro de la Tierra.

XYmTierramLunaSatéliteg1g2