Una vez que un satélite artificial está en órbita, su comportamiento no es diferente del de un satélite natural, como nuestra Luna. Si el satélite es lo suficientemente alto como para estar libre de fricción atmosférica, permanecerá en órbita para siempre. Sin embargo, aunque no es difícil mantener un satélite una vez que está en órbita, se requiere una gran cantidad de energía para levantar la nave espacial de la Tierra y acelerarla a la velocidad orbital.
Para ilustrar cómo se lanza un satélite, imagine un arma disparando una bala horizontalmente desde la cima de una montaña alta que Newton ha adaptado de un diagrama similar. Imagine, además, que la fricción del aire podría eliminarse y que nada se interponga en el camino de la bala. Entonces, la única fuerza que actúa sobre la bala después de que sale del hocico es la fuerza gravitacional entre la bala y la Tierra.
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| Disparando una bala en órbita. (a) Para las rutas ayb, la velocidad no es suficiente para evitar que la gravedad empuje la bala hacia la Tierra; en el caso c, la velocidad permite que la bala caiga completamente alrededor de la Tierra. (b) Este diagrama de Newton en su De Mundi Systemate, edición de 1731, ilustra el mismo concepto que se muestra en (a) |
Si la bala se dispara con una velocidad que podemos llamar va, la fuerza gravitacional que actúa sobre ella la empuja hacia la Tierra, donde golpea el suelo en el punto a. Sin embargo, si se le da una mayor velocidad de boca, vb, su mayor velocidad lo lleva más lejos antes de tocar el suelo en el punto b.
Si a nuestra bala se le da una velocidad del hocico lo suficientemente alta, vc, la superficie curva de la Tierra hace que el suelo permanezca a la misma distancia de la bala para que la bala caiga alrededor de la Tierra en un círculo completo. La velocidad necesaria para hacer esto, llamada velocidad de satélite circular, es de aproximadamente 8 kilómetros por segundo, o aproximadamente 17,500 millas por hora en unidades más familiares.
Cada año, más de 50 nuevos satélites se ponen en órbita por naciones como Rusia, Estados Unidos, China, Japón, India e Israel, así como por la Agencia Espacial Europea (ESA), un consorcio de naciones europeas. Hoy en día, estos satélites se utilizan para el seguimiento del clima, ecología, sistemas de posicionamiento global, comunicaciones y fines militares, por nombrar algunos usos. La mayoría de los satélites se lanzan en órbita terrestre baja, ya que esto requiere la energía mínima de lanzamiento. A la velocidad orbital de 8 kilómetros por segundo, rodean el planeta en aproximadamente 90 minutos. Algunas de las órbitas terrestres muy bajas no son indefinidamente estables porque, a medida que la atmósfera de la Tierra se hincha de vez en cuando, la atmósfera genera un arrastre de fricción en estos satélites, lo que eventualmente conduce a una pérdida de energía y la "descomposición" de la órbita.
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| Satélites en órbita terrestre. Esta figura muestra las piezas más grandes de escombros orbitales que la NASA está rastreando en la órbita de la Tierra. |
Nave espacial interplanetaria
La exploración del sistema solar se ha llevado a cabo en gran medida mediante naves espaciales robotizadas enviadas a los otros planetas. Para escapar de la Tierra, estas naves deben alcanzar la velocidad de escape, la velocidad necesaria para alejarse de la Tierra para siempre, que es de aproximadamente 11 kilómetros por segundo (aproximadamente 25,000 millas por hora). Después de escapar de la Tierra, estos barcos navegan hacia sus objetivos, sujetos solo a pequeños ajustes de trayectoria proporcionados por pequeños cohetes de propulsión a bordo. En el vuelo interplanetario, estas naves espaciales siguen órbitas alrededor del Sol que se modifican solo cuando pasan cerca de uno de los planetas.
A medida que se acerca a su objetivo, una nave espacial es desviada por la fuerza gravitacional del planeta hacia una órbita modificada, ganando o perdiendo energía en el proceso. Los controladores de naves espaciales en realidad han podido usar la gravedad de un planeta para redirigir una nave espacial de sobrevuelo a un segundo objetivo. Por ejemplo, Voyager 2 usó una serie de encuentros asistidos por gravedad para obtener sucesivos sobrevuelos de Júpiter (1979), Saturno (1980), Urano (1986) y Neptuno (1989). La nave espacial Galileo, lanzada en 1989, sobrevoló Venus una vez y la Tierra dos veces para obtener la energía necesaria para alcanzar su objetivo final de orbitar a Júpiter.
Si deseamos orbitar un planeta, debemos desacelerar la nave espacial con un cohete cuando la nave espacial está cerca de su destino, lo que permite que sea capturada en una órbita elíptica. Se requiere un empuje adicional del cohete para bajar un vehículo de la órbita y aterrizar en la superficie. Finalmente, si se planea un viaje de regreso a la Tierra, la carga útil aterrizada debe incluir suficiente potencia propulsora para repetir todo el proceso a la inversa.
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