2.5 Tipos de órbitas

No todos los satélites siguen el mismo tipo de órbita. Ya se ha visto un caso particular, el de las órbitas geoestacionarias, no obstante es de interés encontrar alguna forma que permitiera describir la forma de la órbita descrita a partir de algún parámetro de los satélites.

El análisis de la energía mecánica de un satélite permite este estudio. Recordando la expresión de esta energía mecánica, como suma de la energía cinética del mismo más su potencial gravitatoria:


Pueden darse tres casos principales en función si la energía mecánica es negativa, nula o positiva. Vamos a estudiar cada uno de ellos por separado:

1º) Energía mecánica negativa ()

Animación 11. Brandir Creative Commons
En tal caso, el satélite siempre estará ligado al campo gravitatorio del planeta y describirá lo que se conoce como una órbita cerrada, en la que el satélite describirá una órbita que se repite periódicamente y con una forma determinada por la relación entre la energía cinética y potencial del mismo, recordando siempre que la energía mecánica permanece siempre constante. Pueden darse tres casos:

  • Si en algún momento su energía cinética se anula (); Entonces el satélite, bajo la atracción gravitatoria, estará en situación de caída libre hacia la superficie terrestre.

  • Si sus energías cinética y potencial permanecen constantes en todo momento; Este es exactamente el caso resuelto en el punto 2.3, donde vimos que la energía mecánica tomaba un valor igual a , (la mitad de la energía potencial gravitatoria) que se denominaba energía orbital y correspondía a una órbita circular. En este tipo de órbita la velocidad del satélite es constante a lo largo de toda la órbita. Gran parte de los satélites que orbitan la tierra, incluidos los geoestacionarios, tienen una órbita de este tipo.

  • Si las energías cinética y potencial van cambiando en el movimiento orbital; Entonces el satélite sigue una órbita elíptica con el planeta en uno de sus focos, cuya excentricidad será tanto mayor conforme mayor sea la energía con la que se ha lanzado el satélite. Si recuerdas la justificación que se hizo de la tercera ley de Kepler, corresponde a este caso, en el que durante el perihelio la energía cinética aumenta (se mueve más rápido) para disminuir posteriormente en el afelio. Los planetas del sistema solar y algunos satélites de telecomunicaciones describen estas órbitas.
2º) Energía mecánica nula ()

Animación 12. Brandir Creative Commons
En este caso límite el satélite escapa de la atracción del campo gravitatorio del planeta y por lo tanto sigue una órbita abierta. En esta situación debe cumplirse que, en todo momento:


La trayectoria descrita es una órbita parabólica, y es aproximadamente la que describen algunos cometas de periodo muy largo que visitan nuestro sistema solar.
3º) Energía mecánica positiva ()

Animación 13. Brandir
Creative Commons
En esta situación el satélite también escapa de la atracción del campo gravitatorio del planeta y por lo tanto también sigue una órbita abierta. En este caso en todo momento se verifica :


Observa que la energía cinética siempre es mayor que la energía potencial y supone que cuando el satélite abandone el campo gravitatorio del planeta, su energía cinética no será nula y por ello se moverá con una velocidad determinada. La trayectoria así descrita es una órbita hiperbólica, y es aproximadamente la que describen los asteroides que entran en el sistema solar desde el espacio exterior, se aproximan al sol sin llegar a quedar atrapados en su campo gravitatorio, y finalmente salen rápidamente alejándose de él.
Icono IDevice Actividad

Un satélite (o cualquier otro cuerpo celeste) en órbita puede describir uno de estos tipos de órbitas:

Órbitas cerradas (Em < 0)

  • Órbita elíptica; Caso general en el que, aún permaneciendo Em constante, Ec y Ep van variando a lo largo de la trayectoria
  • Órbita circular; Es un caso particular de órbita elíptica que ocurre cuando en todo momento Ec = cte y Ep = cte'
 

Órbitas abiertas (Em ≥ 0)

  • Órbita parabólica; Cuando Em = 0. En tal caso Ec = -Ep
  • Órbita hiperbólica; En este tipo de órbitas Ec > Ep en todo momento.

Con la animación interactiva del apartado anterior, puedes simular estos tipos de órbitas, en función de la velocidad de lanzamiento.

Imagen 25. Brian Brondel Creative Commons

Si el cañón dispara el proyectil con una velocidad inicial baja, la trayectoria de la bola se curva e impacta contra el suelo (A). Aumentando la velocidad inicial, la bola de cañón impacta en el suelo cada vez más lejos (B) del cañón, debido que mientras la bola sigue cayendo, el suelo también se curva. Todos estos movimientos son realmente órbitas en su sentido técnico, ya que describen una trayectoria elíptica alrededor de un centro de gravedad pero que se interrumpen al chocar contra la tierra.

Si se dispara el proyectil con suficiente velocidad, el suelo se curva al menos tanto como el proyectil al caer, por lo que la bola de cañón nunca impacta contra el suelo. Para cualquier combinación de altura sobre el centro de gravedad y la masa del objeto hay una velocidad específica que produce una órbita circular (C).

Si la velocidad de disparo aumenta más allá de esta velocidad, se produce órbitas elípticas (D). A una velocidad mayor, denominada velocidad de escape que de nuevo depende de la altura donde se dispara y la masa del objeto, se produce una órbita infinita (E), primero del tipo parabólica y con velocidades más altas del tipo hiperbólica. En ambos tipos de órbitas infinitas significa que el objeto ha escapado de la gravedad del planeta y se marcha hacia el espacio.

Ahora puedes volver a interactuar con la animación y simular los distintos tipos de órbitas estudiados.

Icono de iDevice AV - Reflexión
Un satélite artificial de masa 100 kg orbita en torno a un planeta describiendo una órbita circular, teniendo una energía potencial gravitatoria de valor -5·108 J.

a) Calcula la velocidad lineal a la que se desplaza.

b) Si mediante un propulsor se duplica, sin cambiar la dirección, la velocidad lineal del satélite, ¿qué tipo de órbita seguirá?

Icono IDevice Pre-conocimiento

Tipos de satélites de órbita circular

Animación 14. El pak Dominio público

En la industria aeroespacial se distinguen tres tipos de satélites con órbita circular en torno a la tierra en función de la posición en la que lo hacen:

  1. Satélites MEO (Mid Earth Orbit) Satélites en órbita media sobre la superficie terrestre. Un ejemplo de esta categoría son los satélites de geolocalización como los que suministran datos a los GPS (Global Position System), tal y como se muestra en la animación.
  2. Satélites LEO (Low Earth Orbit) La mayor parte de los satélites de comunicaciones (TV, telefonía móvil, etc...) siguen este tipo de órbita.
  3. Satélites GEO (Geosynchronous Earth Orbit) Siguen una órbita geoestacionaria. Como se indicó, los satélites meteorológicos como el Meteosat o algunos satélites espía tienen órbitas de este tipo.