Problema 1 · Física PAU Aragón Extraordinaria 2023

Tema: Campo gravitatorio: satélites, órbitas, Kepler y energía · Del examen Extraordinaria (2023)

Enunciado

1. (2,5 puntos) Un satélite de 80 kg80\text{ kg} se encuentra en órbita circular alrededor de la Tierra a una altura de 586 km586\text{ km} sobre la superficie.

a)

Calcula el campo gravitatorio de la Tierra a dicha altura y la Energía Mecánica del satélite. (0,75 puntos)

b)

Suponiendo una órbita circular, ¿Cuál es el periodo de la órbita del satélite alrededor de la Tierra? (0,95 puntos)

c)

Explica el concepto de Energía potencial gravitatoria y da su expresión para una masa mm que orbita a una distancia rr de otra masa MM. (0,8 puntos)

Datos:

Radio de la Tierra: 6370 km6370\text{ km}, cte. de Gravitación universal: G=6,67×10−11 N⋅m2/kg2G = 6{,}67\times 10^{-11}\text{ N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2, Masa de la Tierra: M=5,972×1024 kgM = 5{,}972\times 10^{24}\text{ kg}.

Enunciado: Problema 1 · Física PAU Aragón Extraordinaria 2023

Solución

Según los criterios oficiales de corrección

Calcula el campo gravitatorio de la Tierra a dicha altura

Solución: 8,23 m/s² / 8,23 N/kg

y la Energía Mecánica del satélite.

Solución: -2,29·10⁹ J / -2,29·10⁶ kJ

b) ¿Cuál es el periodo de la órbita del satélite alrededor de la Tierra?

Solución: 5775,59 s / 1,6 h

c) Explica el concepto de Energía potencial gravitatoria y da su expresión para una masa m que orbita a una distancia r de otra masa M.

Solución: La energía potencial gravitatoria es la energía que posee un objeto por estar en las cercanías de otro, simplemente por tener ambos cierta masa. Su expresión es Ep=−GMmrE_p = -G\frac{Mm}{r}, donde GG es la constante de gravitación universal, MM y mm son las masas y rr la distancia entre sus centros. Las masas se miden en kg, la distancia en m y la constante de gravitación en N⋅m2/kg2\text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2.

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