3.5: Movimientos de Satélites y Naves Espaciales
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Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrás:
- Explicar cómo un objeto (como un satélite) se puede poner en órbita alrededor de la Tierra
- Explicar cómo un objeto (como una sonda planetaria) puede escapar de la órbita
La ley universal de gravitación de Newton y las leyes de Kepler describen los movimientos de los satélites terrestres y las naves espaciales interplanetarias, así como de los planetas. Sputnik, el primer satélite artificial de la Tierra, fue lanzado por lo que entonces se llamaba la Unión Soviética el 4 de octubre de 1957. Desde entonces, miles de satélites se han puesto en órbita alrededor de la Tierra, y naves espaciales también han orbitado la Luna, Venus, Marte, Júpiter, Saturno y una serie de asteroides y cometas.
Una vez que un satélite artificial está en órbita, su comportamiento no es diferente al de un satélite natural, como nuestra Luna. Si el satélite es lo suficientemente alto como para estar libre de fricción atmosférica, permanecerá en órbita para siempre. Sin embargo, aunque no hay dificultad para mantener un satélite una vez que está en órbita, se requiere una gran cantidad de energía para levantar la nave espacial de la Tierra y acelerarla a la velocidad orbital.
Para ilustrar cómo se lanza un satélite, imagínese un arma disparando una bala horizontalmente desde la cima de una alta montaña, como en la Figura\(\PageIndex{1}\), que ha sido adaptada a partir de un diagrama similar por Newton. Imagínese, además, que se pueda quitar la fricción del aire y que nada se interponga en el camino de la bala. Entonces la única fuerza que actúa sobre la bala después de que abandona el hocico es la fuerza gravitacional entre la bala y la Tierra.
Si la bala se dispara con una velocidad que podemos llamar\(v_a\), la fuerza gravitacional que actúa sobre ella la tira hacia abajo hacia la Tierra, donde golpea el suelo en un punto\(a\). Sin embargo, si se le da una mayor velocidad de hocico\(v_b\), su mayor velocidad lo lleva más lejos antes de que golpee el suelo en el punto\(b\).
Si a nuestra bala se le da una velocidad de boca lo suficientemente alta\(v_c\),, la superficie curva de la Tierra hace que el suelo permanezca a la misma distancia de la bala para que la bala caiga alrededor de la Tierra en un círculo completo. La velocidad necesaria para hacer esto, llamada velocidad de satélite circular, es de aproximadamente 8 kilómetros por segundo, o aproximadamente 17.500 millas por hora en unidades más familiares.
Cada año, más de 50 nuevos satélites son lanzados a órbita por naciones como Rusia, Estados Unidos, China, Japón, India e Israel, así como por la Agencia Espacial Europea (ESA), un consorcio de naciones europeas (Figura\(\PageIndex{2}\)). Hoy en día, estos satélites se utilizan para el seguimiento meteorológico, ecología, sistemas de posicionamiento global, comunicaciones y fines militares, por nombrar algunos usos. La mayoría de los satélites se lanzan a órbita terrestre baja, ya que esto requiere la mínima energía de lanzamiento. A la velocidad orbital de 8 kilómetros por segundo, circundan el planeta en unos 90 minutos. Algunas de las órbitas terrestres muy bajas no son indefinidamente estables porque, a medida que la atmósfera terrestre se hincha de vez en cuando, la atmósfera de estos satélites genera un arrastre de fricción, lo que eventualmente lleva a una pérdida de energía y a una “decadencia” de la órbita.
Nave espacial interplanetaria
La exploración del sistema solar ha sido llevada a cabo en gran parte por naves espaciales robot enviadas a los otros planetas. Para escapar de la Tierra, estas naves deben alcanzar la velocidad de escape, la velocidad necesaria para alejarse de la Tierra para siempre, que es de unos 11 kilómetros por segundo (unas 25,000 millas por hora). Después de escapar de la Tierra, estas embarcaciones se acercan a sus objetivos, sujetas únicamente a pequeños ajustes de trayectoria proporcionados por pequeños cohetes propulsores a bordo. En vuelo interplanetario, estas naves espaciales siguen órbitas alrededor del Sol que se modifican sólo cuando pasan cerca de uno de los planetas.
A medida que se acerca a su objetivo, una nave espacial es desviada por la fuerza gravitacional del planeta hacia una órbita modificada, ya sea ganando o perdiendo energía en el proceso. Los controladores de naves espaciales en realidad han podido usar la gravedad de un planeta para redirigir una nave espacial sobrevoladora a un segundo objetivo. Por ejemplo, la Voyager 2 utilizó una serie de encuentros asistidos por gravedad para producir sucesivos sobrevuelos de Júpiter (1979), Saturno (1980), Urano (1986) y Neptuno (1989). La nave espacial Galileo, lanzada en 1989, voló una vez más allá de Venus y la Tierra dos veces para obtener la energía necesaria para alcanzar su objetivo final de orbitar Júpiter.
Si deseamos orbitar un planeta, debemos ralentizar la nave espacial con un cohete cuando la nave espacial esté cerca de su destino, permitiendo que sea capturada en una órbita elíptica. Se requiere un empuje adicional del cohete para que un vehículo descienda de la órbita para un aterrizaje en la superficie. Finalmente, si se planea un viaje de regreso a la Tierra, la carga útil aterrizada debe incluir suficiente potencia de propulsión para repetir todo el proceso a la inversa.
Conceptos clave y resumen
La órbita de un satélite artificial depende de las circunstancias de su lanzamiento. La velocidad circular del satélite necesaria para orbitar la superficie de la Tierra es de 8 kilómetros por segundo, y la velocidad de escape de nuestro planeta es de 11 kilómetros por segundo. Hay muchas trayectorias interplanetarias posibles, incluidas aquellas que utilizan sobrevuelos asistidos por gravedad de un objeto para redirigir la nave espacial hacia su siguiente objetivo.
Glosario
- velocidad de escape
- la velocidad que un cuerpo debe alcanzar para romper con la gravedad de otro cuerpo