Movimiento orbital estable de un satélite: Laboratorio de física

Satélites

Si miras cualquier imagen de la Tierra desde el espacio, verás un planeta azul rodeado por la absoluta negrura del espacio. Lo que no puede ver son los numerosos satélites que hemos puesto en órbita. Usamos estos satélites para todo, desde telescopios especializados para estudiar el universo (como el telescopio espacial Hubble) hasta la señal GPS utilizada por nuestros teléfonos celulares.

¿Sabías que los satélites no se limitan a los artificiales que lanzamos al espacio? Un satélite es simplemente cualquier cuerpo en el espacio que orbita a otro. Entonces, la Luna es un satélite que orbita la Tierra y la Tierra es un satélite que orbita el Sol.

En este laboratorio, exploraremos el movimiento de los satélites. Construiremos un experimento para investigar el movimiento orbital estable y las formas que toman estas órbitas.

Materiales

Estos son los materiales que necesitamos usar para este experimento:

• 1 aro de hula
• Una hoja elástica de tela lo suficientemente grande como para cubrir el hula hoop (elegí una hoja de 92% rayón y 8% elastano)
• 8 clips de carpeta
• 4 sillas
• Un peso compacto de 500 g (alrededor de 1 libra) (usé un candado para esto)
• 1 canica

Pasos y solución de problemas

Ahora, echemos un vistazo a los pasos que tenemos que seguir para completar nuestro experimento, uno a la vez:

1. Estire la tela con fuerza sobre el hula hoop y use los clips de carpeta para mantenerla en su lugar.
2. Coloque las cuatro sillas en un patrón cuadrado mirando hacia adentro y coloque el hula hoop de modo que descanse en el borde de cada silla. El centro del hula hoop debe suspenderse en el aire sobre el piso con la tela libre para estirarse cuando se colocan objetos encima.
3. Coloque el peso de 500 g sobre la tela en el centro del hula hoop. Esto representa el planeta que orbitará nuestro satélite.
4. En este paso, jugarás un poco con la configuración. Debería intentar hacer rodar su canica hasta que haya encontrado la velocidad y la trayectoria que le brinden la mayor cantidad de revoluciones alrededor de su peso. Esta será la línea de base que modificaremos para recopilar datos en nuestros próximos dos pasos.
5. Una vez que haya encontrado la mejor trayectoria y velocidad a la que rodar la canica, intente esa misma trayectoria, pero esta vez ruede la canica a 10 velocidades de prueba diferentes comenzando de lento a rápido. Cada vez que lances una canica, escribe si no pudo obtener una órbita estable (una rotación completa alrededor del peso), si tenía una órbita circular o si tenía una órbita elíptica.
6. En este paso, repetirás exactamente lo que hiciste en el último paso, pero esta vez variarás su trayectoria manteniendo constante la velocidad. Nuevamente, escriba sus hallazgos para los 10 rollos de cada canica.

Es importante tener en cuenta que diferenciar entre una órbita elíptica y una circular puede ser complicado. Asegúrate de observar tus órbitas con atención. Si no es un círculo perfecto, la órbita es elíptica.

Preguntas de discusión

Aquí hay algunas preguntas que podemos considerar al discutir los resultados de nuestro experimento:

• ¿Encontraste más órbitas elípticas o circulares?
• Basado en este experimento, ¿qué tan difícil crees que es colocar un satélite en una órbita perfectamente circular?
• Incluso nuestras órbitas más exitosas chocaron contra el peso en el centro del hula hoop después de girarlo unas pocas veces. ¿Por qué pasó esto? ¿Está sucediendo algo durante este experimento que no sucede en el espacio?

Cómo funciona

En este laboratorio, usamos una canica para demostrar las órbitas estables de los satélites alrededor de un planeta. Ajustamos cómo ese satélite entró en su órbita variando su velocidad inicial (trayectoria y velocidad). Cada vez que arrojabas la canica, se estrellaba directamente contra el peso como un meteoro golpeando la tierra, se caía del lado del hula hoop como un cometa que pasaba a toda velocidad por la Tierra o creaba una órbita exitosa.

Un satélite está en una órbita estable cuando permanece en su trayectoria orbital incluso si experimenta un pequeño desplazamiento en la trayectoria. En este laboratorio, decidimos arbitrariamente que una sola revolución completa del peso central contaba como una órbita estable. En realidad, no podemos obtener órbitas estables aquí porque, a diferencia del espacio, la fricción entre la canica y la tela hace que la canica se detenga rápidamente.

Cuando conseguimos que la canica orbitara el peso, debería haber notado que casi todas las órbitas eran una órbita elíptica. Para ver un ejemplo de por qué las órbitas tienden a ser elípticas, veamos la siguiente relación para las órbitas circulares alrededor de la Tierra:

Si la velocidad o la altura de un satélite cambia un poco, esta relación se desmorona y la órbita dejará de ser circular. Las órbitas circulares en el espacio son muy raras. Incluso los planetas de nuestro sistema solar tienen órbitas elípticas alrededor del Sol.

Resumen de la lección

En este laboratorio, realizó un experimento para observar las formas de las órbitas de satélites estables. Un satélite es cualquier objeto en el espacio que orbita a otro, y lo representamos con una canica orbitando un peso. Experimentó con diferentes trayectorias orbitales para su canica ajustando su trayectoria inicial y velocidad.

Si la canica hacía al menos una revolución completa alrededor del peso, decidimos que contaba como en órbita estable. En el espacio, un satélite está en órbita estable cuando permanece en su trayectoria orbital incluso después de experimentar un pequeño desplazamiento en su trayectoria. A diferencia del espacio, la canica siempre será arrastrada hacia el peso después de solo unas pocas revoluciones debido a la fricción entre la canica y la tela sobre la que está rodando, lo que la ralentiza.

Al final, descubrió que sus órbitas eran abrumadoramente elípticas, con poca o ninguna órbita circular presente. Esta es una buena representación de las órbitas en el espacio, ya que las órbitas circulares son extremadamente raras.