Objetos en órbita

Tipos de objetos en órbita

Los objetos en órbita suelen denominarse "satélites".

Los satélites pueden clasificarse como naturales o artificiales. Ejemplosde satélites naturales son la Luna, los planetas y los cometas. Algunos ejemplosde satélites artificiales son los numerosos satélites que se lanzan desde la Tierra con fines de comunicación, predicción meteorológica o inteligencia.

Existen tres tipos principales de órbitas: galactocéntrica, heliocéntrica y geocéntrica:

• Una órbita galactocéntrica es la que orbita alrededor del centro de una galaxia. Nuestro sistema solar es un ejemplo de ello porque sigue este tipo de órbita alrededor de la Vía Láctea.

• Una órbita heliocéntrica es la que orbita alrededor del Sol. Todos los planetas de nuestro sistema solar, junto con todos los asteroides del cinturón de asteroides y todos los cometas, son un ejemplo de este tipo de órbita.

• Una órbita geocéntrica es la que orbita alrededor de la Tierra. Nuestra Luna sigue una órbita geocéntrica, al igual que la mayoría de los satélites artificiales.

El objeto orbital más alto del que se tiene constancia se llama Vela 1A, y es geosíncrono, lo que significa que su periodo orbital es el mismo que el periodo de rotación de la Tierra. El satélite orbita la Tierra a una altitud superior a 22.223 millas.

Datos sobre los objetos en órbita

Independientemente de que los objetos en órbita se consideren naturales o artificiales, el movimiento de cada satélite se rige por los mismos principios físicos y utiliza las mismas ecuaciones matemáticas. El movimiento de un objeto en órbita puede describirse utilizando las mismas características que utilizamos para cualquier otro objeto en movimiento circular: velocidad, aceleración y vectores de fuerza.Incluso puedes calcular la fuerza y la aceleración debidas a la gravedad de los objetos mientras están en órbita. O puedes aplicar tus conocimientos sobre la gravedad y el movimiento circular para hallar la velocidad de cualquier órbita circular.

Un sistema que implica movimiento orbital intercambiará energía cinética y energía potencial gravitatoria. En términos básicos, la energía cinética es la energía del movimiento, y la energía potencial es la energía almacenada debida a la posición relativa de los objetos en un sistema. Un ejemplo de energía cinética y energía potencial trabajando juntas es un yo-yo. Cuando el yo-yo está en tu mano antes de empezar a caer hacia el suelo, todo es energía potencial. Cuando el yo-yo empieza a caer hacia el suelo, la energía se convierte en energía cinética porque se está moviendo. Del mismo modo, a medida que los planetas orbitan más lejos del Sol, se produce un aumento de la energía potencial gravitatoria que se equilibra con la disminución de la energía cinética.

Los objetos en órbita son muy diversos, como satélites, planetas, asteroides e incluso lo que llamamos "basura espacial". Un satélite se considera un "proyectil" porque es un objeto sobre el que la única fuerza es la gravedad. Esto se debe a que, una vez que el satélite se pone en órbita, la única fuerza que rige el movimiento de un satélite es la fuerza de la gravedad. Hoy en día, hay miles de objetos o satélites que orbitan alrededor de la Tierra. Los satélites tienen muchos usos, pero los más conocidos son los relacionados con el gobierno o el ejército, el acceso a Internet, la televisión, el GPS, la predicción meteorológica, etc. SpaceX tiene el mayor número de satélites en órbita. Según la NASA, hay más de 27.000 piezas de "basura espacial" o desechos espaciales flotando en el espacio. La basura espacial puede ser tanto meteoroide natural como de origen humano. Los meteoroides están en órbita alrededor del sol, mientras que la mayoría de los residuos artificiales están en órbita alrededor de la Tierra. Por eso utilizamos el término basura "orbital" para describirlos.

He aquí algunas expresiones importantes para objetos en órbita con movimiento circular:

Fig. 4 - Sistema de dos cuerpos en órbita. Originales de StudySmarter

• La fuerza gravitatoria,

$$\begin{align*}\vec{F_{\text{g}}}&=-\frac{GMm}{|\vec{r}|^2}\hat{r},\\F_{\text{g}}&=\frac{GMm}{r^2}.\end{align*}$$

• La fuerza gravitatoria proporciona una fuerza centrípeta,

$$F_{\text{c}}=\frac{mv^2}{r}.$$

• Si igualamos las fuerzas y resolvemos para \(v\) podemos determinar la velocidad orbital del objeto,

$$v=\sqrt{\frac{GM}{r}}.$$

• Como la gravedad es una fuerza conservativa, sólo necesitamos conocer la posición inicial y final del objeto para determinar el trabajo realizado por la fuerza El trabajorealizado por la fuerza gravitatoria para que \(m\) y \(M\) pasen de estar infinitamente separados a sólo una distancia \(r\):

$$\begin{align*}W&=\int_{\infty}^{r}\vec{F_{\text{g}}}\cdot\vec{\text{d}r},\\W&=\int_{\infty}^{r}-\frac{GMm}{r^2}{\text{d}r},\\W&=\int_{\infty}^{r}-{GMm}{r^{-2}}{\text{d}r},\\W&=-\left(-\frac{GMm}{r}\right)\Big|_{\infty}^{r},\\W&={GMm}\left(\frac{1}{r}-\cancelto0{\frac{1}{\infty}}\right),\\W&=\frac{GMm}{r}.\fin{align*}$$

• El cambio de energía potencial de un sistema de dos distribuciones de masa aproximadamente esféricas,

$$\begin{align*}\Delta{U_{\text{g}}}&=-W,\\\Delta{U_{\text{g}}}&=-\frac{GMm}{r}.\end{align*}$$

• Ahora conocemos el cambio de energía potencial de dos objetos en órbita. La energía potencial gravitatoria de un sistema formado por dos objetos en órbita se define como cero cuando están infinitamente separados. Podemosdeterminar la energía potencial del sistema cuando los cuerpos están separados una distancia \(r\):

$$\begin{align*}\Delta{U_{\text{g}}}&=U_{\text{gf}}-U_{\text{gi}},\\\Delta{U_{\text{g}}}&=U_{\text{gf}}-\cancelto0{\frac{1}{\infty}},\\U_{\text{gf}}&=-\frac{GMm}{r}.\end{align*}$$

• La energía potencial gravitatoria de un sistema de masa \(m\) en un campo gravitatorio de magnitud \(g\) a cierta altura \(y\) respecto a la superficie,

$$\begin{align*}\Delta{U_{\text{g}}}&=-W,\\\Delta{U_{\text{g}}}&=\int_{y_1}^{y_2}-\vec{F_{\text{g}}}\cdot\vec{\text{d}y},\\\Delta{U_{\text{g}}}&=\int_{y_1}^{y_2}-\left(-mg\text{d}y\right),\\\Delta{U_{\text{g}}}&=mg\left(y_2-y_1\right),\\\Delta{U_{\text{g}}}&=mg\Delta{y}.\fin{align*}$$

• La energía cinética del sistema formado por dos objetos en órbita también puede expresarse en términos de la energía potencial gravitatoria,

$$\begin{align*}K&=\frac{1}{2} mv^2,\\K&=\frac{1}{2} m\left(\frac{G M}{r}\right),\\K&=\frac12\frac{GMm}{r},\\K&=-\frac12U.\end{align*}$$

• La energía total de los dos objetos en órbita puede expresarse en términos de la energía potencial gravitatoria y la energía cinética,

$$\begin{align*}E&=K+U,\\E&=\frac12\frac{GMm}{r}-\frac{GMm}{r},\\E&=-\frac{GMm}{2r},\\E&=\frac12U.\end{align*}$$

Ejemplos de objetos en órbita

Hagamos algunos problemas de ejemplo para objetos en órbita.