Movimientos Orbitales

Tipos de movimiento orbital

Podemos hablar de varios tipos de movimientos orbitales. En este artículo vamos a considerar las órbitas circulares y las órbitas elípticas no circulares. Las órbitas circulares tienen, como puedes adivinar por su nombre, la forma de un círculo. En cambio, las órbitas elípticas no circulares tienen la forma de una elipse aplastada en una dirección. Puedes pensar que una órbita elíptica es una órbita circular aplastada.

La principal diferencia entre las órbitas circulares y las no circulares, en este caso, es el hecho de que las órbitas circulares tienen un radio orbital constante, mientras que las órbitas no circulares tendrán una distancia al objeto orbitado que varía con el tiempo y el lugar.

La física de las órbitas circulares

Para comprender el movimiento orbital, tenemos que entender cómo funciona la física de una órbita circular. Lo primero que hay que tener en cuenta respecto a una órbita circular es que la velocidad del objeto en órbita permanece constante. Vamos a utilizar el diagrama siguiente para ayudarnos a comprender la física de una órbita circular alrededor del Sol.

Fig. 1: Demostración de una órbita circular.

Este diagrama muestra la Tierra en dos lugares durante su órbita alrededor del Sol: \( E_1 \) y \( E_2 \). En el punto \(E_1\), la Tierra tiene una velocidad de \(v_1\). Sin embargo, en el momento en que se encuentra en el punto \(E_2\) de su órbita, su velocidad ha cambiado para convertirse en \(v_2\). Esto ocurre porque la velocidad es una magnitud vectorial, y la Tierra no se desplaza en línea recta: su velocidad debe cambiar entre los puntos \(E_1\) y \(E_2\). Sin embargo, como ya se ha dicho, la velocidad de la Tierra permanece constante: las magnitudes de las velocidades \(v_1\) y \(v_2\) son iguales.

Entonces, ¿qué ocurre? Bueno, un cambio de velocidad significa que está ocurriendo una cosa: aceleración. En este caso de la Tierra orbitando alrededor del Sol, la Tierra se acelera porque está bajo la influencia de la atracción gravitatoria del Sol. La fuerza de atracción debida a la gravedad está etiquetada como \(F_1\) y \(F_2\) en el diagrama anterior, y esta Fuerza hace que la Tierra se acelere y, por tanto, cambie la dirección de su velocidad, siguiendo su trayectoria orbital (circular).

Órbitas elípticas/no circulares

Una órbita elíptica es un tipo de órbita no circular. Echa un vistazo al GIF siguiente para comprender un poco cómo funciona una órbita elíptica, y luego te lo explicaremos con más detalle.

Fig. 2: Ejemplo de órbita elíptica.

En el GIF anterior, deberías poder ver que en el lado de la órbita más cercano al planeta, el objeto se mueve más deprisa, a diferencia del extremo de la órbita más alejado del planeta, donde se mueve más despacio. Como hemos dicho antes, los planetas orbitan realmente alrededor del Sol con un movimiento elíptico, sin embargo, las órbitas no son tan extremas como la que se muestra en este GIF. Dado que las órbitas de los planetas están lo suficientemente cerca como para ser círculos, podemos tratar las órbitas como tales en física GCSE.

Ejemplos de movimiento orbital

Hay muchos tipos diferentes de objetos en el Sistema Solar, y la mayoría de ellos orbitan alrededor de algún otro objeto. Hay una regla principal que debemos tener en cuenta: un objeto más grande no puede orbitar a otro más pequeño. Recuerda: ¡el Sol no orbita alrededor de la Tierra, sino que la Tierra orbita alrededor del Sol!

Los principales objetos celestes que vamos a seguir examinando son los planetas, las lunas y los cometas. Cada uno de estos objetos tiene una forma ligeramente distinta de movimiento orbital, con diferentes longitudes de órbita y diferentes velocidades.

Órbitas de los planetas

Todos los planetas tienen propiedades orbitales muy similares y, por tanto, presentan movimientos parecidos. Cada planeta tiene una órbita ligeramente no circular alrededor del Sol, sin embargo, para calcular las cosas, consideramos que sus órbitas son circulares. También es importante señalar que todos los planetas del Sistema Solar orbitan alrededor del Sol en la misma dirección, así como aproximadamente en los mismos planos. En otras palabras, si miraras hacia el Sistema Solar desde su lado, verías a todos los planetas orbitando a través del equivalente del ecuador del Sol.

Sin embargo, ¡hay algunas diferencias entre las órbitas de los planetas! Todos tienen un radio orbital diferente, lo que significa que todos están a una distancia distinta del Sol. Cuanto más cerca está un planeta del Sol, más rápido se desplaza y, por tanto, menos tiempo tarda en orbitar.

Órbitas de las lunas

Las lunas siguen la mayoría de las mismas reglas que los planetas que orbitan alrededor del Sol, excepto que orbitan alrededor de planetas. Las principales diferencias son que generalmente no orbitan a lo largo del mismo plano y que algunas de ellas tienen órbitas muy poco circulares. De nuevo, en el caso de las órbitas circulares, el radio orbital determina lo rápida o lenta que será la órbita de una luna, siendo las órbitas más cercanas más cortas en el tiempo con una velocidad mayor.

Órbitas de los cometas

Algunos cometas orbitan alrededor de una estrella, por lo que hablaremos de esos cometas. La órbita de un cometa de este tipo suele ser muy elíptica, es decir, la órbita está estirada, y esto tiene algunos efectos muy interesantes sobre el movimiento del cometa. La naturaleza alargada de la órbita de un cometa provoca cambios de velocidad extremadamente grandes a medida que cambia la distancia del cometa al Sol. En su punto más alejado del Sol, el cometa será el más lento, y en su punto más cercano al Sol, el cometa será el más rápido. Además, no todos los cometas orbitan en el mismo plano, ni siquiera en la misma dirección, ¡están por todas partes!

Fig. 3: Órbita elíptica de un cometa.

Movimiento orbital de las galaxias

Como ya hemos dicho, muchos objetos celestes tienen alguna forma de movimiento orbital, ya que interactúan con otra cosa. Esto ocurre incluso en las galaxias, grupos masivos de estrellas que se mantienen unidas alrededor de un centro galáctico que, por lo general, es algo con una atracción gravitatoria extremadamente grande. Observa la siguiente imagen de la Vía Láctea, tomada por el satélite Gaia de la Agencia Espacial Europea, y fíjate en que la mayoría de las estrellas están agrupadas a lo largo de la línea central de la imagen. Esto se conoce como el plano galáctico, y como podemos ver, la mayoría de las estrellas orbitan el centro galáctico a lo largo de este plano.

Fig. 4: Panorámica de la Vía Láctea.

Estabilidad del movimiento orbital

Considera un satélite en órbita alrededor de un planeta. Para que permanezca en una órbita circular estable, la velocidad del satélite debe ser un valor determinado. Si la velocidad del satélite es demasiado baja, retrocederá hacia la Tierra, y si la velocidad del satélite es demasiado alta, se desplazará hacia el espacio, lejos de la atracción gravitatoria de la Tierra.

Cálculo de la velocidad orbital

La velocidad de la órbita de un satélite puede calcularse siguiendo unos pasos. El primer paso consiste en calcular la distancia recorrida en una órbita. Se calcula mediante la ecuación

\[\begin{gather}d=2\pi r, \(\text{distance}=2\pi\times{text{radius})\end{gather}\]

donde \(d\) es la distancia recorrida por el objeto y \(r\) es el radio de la órbita. El segundo paso consiste en calcular la velocidad media mediante la siguiente ecuación

\[v_\text{average}=\frac{d}{T}.\]

En este caso, el tiempo \(T\) es lo que tarda el satélite en completar una sola órbita.