Para resolver el problema, vamos a utilizar las fórmulas relacionadas con el movimiento circular y la gravitación.
a) Determinación del radio ( r_1 ) de la órbita y la masa del satélite
- Cálculo del radio ( r_1 ):
El momento angular ( L ) de un satélite en órbita circular se puede expresar como:
[
L = m \cdot r^2 \cdot \omega
]
donde:
- ( m ) es la masa del satélite,
- ( r ) es el radio de la órbita,
- ( \omega ) es la velocidad angular.
Despejamos ( r ):
[
r^2 = \frac{L}{m \cdot \omega}
]
- Fuerza centrípeta y fuerza gravitacional:
La fuerza centrípeta necesaria para mantener al satélite en órbita es proporcionada por la fuerza gravitacional:
[
F_c = m \cdot \frac{v^2}{r} = m \cdot r \cdot \omega^2
]
La fuerza gravitacional es:
[
F_g = \frac{G \cdot M_v \cdot m}{r^2}
]
Igualando ambas fuerzas:
[
m \cdot r \cdot \omega^2 = \frac{G \cdot M_v \cdot m}{r^2}
]
Cancelamos ( m ) (asumiendo que ( m \neq 0 )):
[
r \cdot \omega^2 = \frac{G \cdot M_v}{r^2}
]
Multiplicamos ambos lados por ( r^2 ):
[
r^3 \cdot \omega^2 = G \cdot M_v
]
Despejamos ( r ):
[
r = \left( \frac{G \cdot M_v}{\omega^2} \right)^{1/3}
]
Sustituyendo los valores:
- ( G = 6.67 \times 10^{-11} , \text{N m}^2/\text{kg}^2 )
- ( M_v = 4.87 \times 10^{24} , \text{kg} )
- ( \omega_1 = 1.45 \times 10^{-4} , \text{rad/s} )
Calculamos ( r_1 ):
[
r_1 = \left( \frac{6.67 \times 10^{-11} \cdot 4.87 \times 10^{24}}{(1.45 \times 10^{-4})^2} \right)^{1/3}
]
Calculamos el valor:
[
r_1 = \left( \frac{3.24769 \times 10^{14}}{2.1025 \times 10^{-8}} \right)^{1/3}
]
[
r_1 = \left( 1.544 \times 10^{22} \right)^{1/3} \approx 2.48 \times 10^7 , \text{m}
]
- Cálculo de la masa ( m ):
Usamos la relación del momento angular:
[
L_1 = m \cdot r_1^2 \cdot \omega_1
]
Despejamos ( m ):
[
m = \frac{L_1}{r_1^2 \cdot \omega_1}
]
Sustituyendo los valores:
[
m = \frac{2.2 \times 10^{12}}{(2.48 \times 10^7)^2 \cdot (1.45 \times 10^{-4})}
]
Calculamos ( m ):
[
m = \frac{2.2 \times 10^{12}}{6.1504 \times 10^{14} \cdot 1.45 \times 10^{-4}} \approx \frac{2.2 \times 10^{12}}{8.927 \times 10^{10}} \approx 24.7 , \text{kg}
]
b) Energía necesaria para cambiar a otra órbita circular con velocidad angular ( \omega_2 = 10^{-4} , \text{rad/s} )
- Cálculo del nuevo radio ( r_2 ):
Usamos la misma fórmula que antes:
[
r_2 = \left( \frac{G \cdot M_v}{\omega_2^2} \right)^{1/3}
]
Sustituyendo ( \omega_2 ):
[
r_2 = \left( \frac{6.67 \times 10^{-11} \cdot 4.87 \times 10^{24}}{(10^{-4})^2} \right)^{1/3}
]
Calculamos:
[
r_2 = \left( \frac{3.24769 \times 10^{14}}{1 \times 10^{-8}} \right)^{1/3} = \left( 3.24769 \times 10^{22} \right)^{1/3} \approx 3.2 \times 10^7 , \text{m}
]
- Cálculo de la energía en la órbita:
La energía total en una órbita circular es:
[
E = -\frac{G \cdot M_v \cdot m}{2r}
]
Calculamos la energía en la órbita inicial ( E_1 ) y en la nueva órbita ( E_2 ):
[
E_1 = -\frac{6.67 \times 10^{-11} \cdot 4.87 \times 10^{24} \cdot 24.7}{2 \cdot 2.48 \times 10^7}
]
[
E_2 = -\frac{6.67 \times 10^{-11} \cdot 4.87 \times 10^{24} \cdot 24.7}{2 \cdot 3.2 \times 10^7}
]
Calculamos ( E_1 ) y ( E_2 ):
[
E_1 \approx -\frac{6.67 \times 10^{-11} \cdot 4.87 \times 10^{24} \cdot 24.7}{4.96 \times 10^7} \approx -1.6 \times 10^{12} , \text{J}
]
[
E_2 \approx -\frac{6.67 \times 10^{-11} \cdot 4.87 \times 10^{24} \cdot 24.7}{6.4 \times 10^7} \approx -1.2 \times 10^{12} , \text{J}
]
- Energía necesaria para el cambio:
La energía necesaria para cambiar de órbita es:
[
\Delta E = E_2 - E_1
]
Calculamos:
[
\Delta E \approx -1.2 \times 10^{12} - (-1.6 \times 10^{12}) = 0.4 \times 10^{12} , \text{J} = 4 \times 10^{11} , \text{J}
]
Resumen de resultados:
- Radio de la órbita ( r_1 ): ( \approx 2.48 \times 10^7 , \text{m} )
- Masa del satélite ( m ): ( \approx 24.7 , \text{kg} )
- Energía necesaria para cambiar a la nueva órbita: ( \approx 4 \times 10^{11} , \text