Movimiento Satelital

Introducción

El universo y la realidad en que vivimos se describen a través de una serie de absolutos y leyes comprendidos en la infinita ciencia física. El gradual entendimiento de ésta nos ha proporcionado las herramientas y el conocimiento suficientes para empujar los límites de la evolución a nuevos horizontes, permitiendo así el desarrollo progresivo de la humanidad.

Con el entendimiento de la física, vienen consigo nuevas y más precisas interpretaciones de nuestra existencia, de manera que su comprensión está ligada a responder aquellos cuestionamientos primordiales surgidos a través de las observaciones de la realidad perceptible. Es bajo esta nota que el hombre ha logrado traducir estas respuestas a nuevos métodos y tecnologías que mejoran los procesos que realizamos como individuos y más aún, como sociedad.

Dentro del vasto campo de la física, resaltan varios fenómenos y condiciones que gobiernan en gran medida o en su totalidad el comportamiento del universo. Estas fuerzas fundamentales se definen como aquellas que rigen la interacción de las partículas, y por defecto, describen todo aquello en el plano de la realidad. De manera específica, esta investigación se enfoca en exponer algunas de las relaciones surgidas a través de la interacción descrita por el fenómeno que domina la existencia a escala cósmica, la gravitación.

En este documento, se explican los conceptos de peso aparente y rotación terrestre, movimiento satelital, y agujeros negros, vinculándolos con fenómenos observables que profundizan la relación existente entre las fuerzas gravitacionales y el universo.

Movimiento Satelital

Se denomina satélite (natural o artificial) a cualquier objeto o cuerpo que orbita alrededor de otro principal. Esta órbita se define cerrada cuando la trayectoria del cuerpo termina donde comienza, trazando una forma elíptica o circular. Una órbita es abierta cuando el cuerpo nunca vuelve al punto de partida y se aleja cada vez más del cuerpo principal. La relación entre la órbita del satélite y el cuerpo principal esta descrita por la leyes de gravitación y fuerza de Isaac Newton, independientemente de la forma orbital que el satélite siga.

El caso de una órbita circular como la que siguen los satélites artificiales de la Tierra, es el tipo de trayectoria que relaciona más sencillamente estos conceptos. Debido a este tipo de orbita, el satélite sigue los principios del movimiento circular uniforme, por lo que su velocidad es constante y deriva de la fuerza de atracción gravitacional que ejercen los cuerpos. De esta manera, el satélite “cae” constantemente alrededor del cuerpo principal con la suficiente velocidad para mantenerlo en órbita, así que se puede definir por Segunda Ley de Newton:

Donde es la masa del cuerpo principal, es la masa del satélite, la distancia entre los dos cuerpos y la constante de gravitación universal.

*Nótese la aceleración radial de la sumatoria de fuerzas por el tipo de movimiento.

De esta expresión y la relación con el movimiento circular podemos deducir:

y periodo .

Es notable que la velocidad no dependa de la masa del satélite, lo que resulta en un estado de ingravidez para por ejemplo, un astronauta dentro de un satélite o estación espacial, ya que tienen la misma velocidad y aceleración por la gravitación y no hay otra fuerza que lo empuje hacia las paredes de la estación.

Así mismo, se deduce de la ecuación de que a mayor sea la distancia , mayor es el periodo y menor la velocidad del satélite.

Por teorema de conservación de energía, se sabe que la energía mecánica del sistema es conservativa, por lo que se pueden determinar velocidades de escape u otros parámetros usando la ecuación donde y (energía potencial gravitacional). Usando se puede determinar la energía en la órbita como .

Peso aparente y rotación terrestre

El peso aparente se define como el peso simulado cuando actúan varias fuerzas sobre un cuerpo, es decir, cuando éste no se encuentra en equilibrio debido a la acción de aceleraciones diferentes a la fuerza de atracción gravitacional.

Como ejemplo, supóngase que se tiene una báscula en la cual alguien se para. Es notable que lo que mide la báscula es la fuerza que la Tierra ejerce sobre esa persona, en otras palabras el peso, pero ¿Qué pasaría si la persona brincara sobre esta báscula? ¿Pesaría lo mismo? La respuesta es no, ya que en dado caso existiría una aceleración y por definición, otra fuerza que alteraría el equilibrio del sistema, de modo que la báscula mostraría el peso aparente de la masa en esas circunstancias.

En condiciones más realistas, Las mediciones de peso varían dependiendo el lugar donde se tomen, y esto es debido a dos causas; la primera es que la Tierra no es perfectamente esférica ni homogénea, lo que produce variaciones en la latitud, altitud y situación geológica. La segunda se debe a que la rotación de la Tierra sobre su eje provoca que el peso observado sea diferente al verdadero en magnitud y dirección.

Debido a la rotación terrestre, un objeto situado en una latitud determinada está sometido a una aceleración dirigida hacia el centro de la Tierra y a la aceleración normal (centrípeta) necesaria para que el cuerpo gire con la Tierra. Es por esto que los componentes del peso presentan variaciones a través del globo, por lo que las mediciones de estos se consideran pesos aparentes.

Existen dos latitudes en las que las direcciones del peso verdadero y del peso aparente coinciden, los polos y el ecuador.

En los polos, la , por lo que .

En el ecuador , donde es la velocidad de rotación y es la distancia del centro a la superficie terrestre.

En puntos intermedios entre el ecuador y los polos, el peso verdadero y la aceleración centrípeta no están en la misma línea, por lo que la ecuación vectorial de esta relación queda expresada como:

Podemos aplicar este análisis también al caso de cuerpos pequeños en órbita para describir los efectos de la ingravidez aparente. Debido a que un cuerpo está en órbita, su aceleración centrípeta es igual a la fuerza de atracción gravitacional de la Tierra, por lo que y por defecto . Es por esto que se dice que un astronauta o un satélite carecen de peso aparente en estas circunstancias.

Agujeros negros

Un agujero negro es cualquier objeto que

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