Leyes de Kepler, Gravitación Universal y Exploración Espacial: Conceptos Clave

Leyes de la Dinámica y Gravitación

Leyes de la Dinámica

1. Admitir la existencia de una fuerza que actúa sobre los planetas que giran alrededor del Sol o sobre los satélites (fuerza gravitatoria).
2. La fuerza gravitatoria actúa sobre todos los cuerpos con independencia de su situación y naturaleza.
3. La fuerza de interacción entre los cuerpos celestes es central.

Leyes de Kepler

1. Las órbitas de los planetas son elípticas, ocupando el Sol uno de sus focos.
2. El área barrida por el vector de posición del planeta, respecto del Sol, por unidad de tiempo es constante.
3. Los cuadrados de los periodos de cada planeta son directamente proporcionales a los cubos de los semiejes mayores de sus órbitas respectivas.

Ley de Gravitación Universal

La fuerza de atracción entre dos cuerpos puntuales es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia existente entre sus centros y está dirigida a lo largo de la línea que une estos cuerpos.

Principio de Superposición

Si una masa interacciona con diversas masas estará sometida simultáneamente a diferentes fuerzas gravitatorias, de modo que la fuerza resultante se obtiene al sumarlas vectorialmente.

Principio de Conservación del Momento Angular

Cuando el momento de las fuerzas externas de un sistema de masas es nulo respecto a algún punto, el momento angular del sistema permanece constante respecto a ese punto.

Potencial Gravitatorio

Representa una descripción energética del campo gravitatorio. En un punto de un campo gravitatorio, el potencial equivale numéricamente a la energía potencial que adquiere la unidad de masa (1 kg) situada en dicho punto.

Conservación de la Energía Mecánica

Si un sistema se mueve sometido únicamente a fuerzas gravitatorias, su energía mecánica (Em), suma de la energía cinética (Ec) y la energía potencial (Ep), se mantiene constante, independientemente de que haya interconversiones entre Ep y Ec.

Rapidez de Escape

Valor teórico de la mínima rapidez de lanzamiento de un cuerpo que le permita llegar al infinito sin velocidad, es decir, que pueda escapar de la acción gravitatoria de un astro.

Modelos Cosmológicos y Exploración Espacial

Claudio Ptolomeo y el Geocentrismo

Explicaba el movimiento de los planetas mediante una combinación de movimientos circulares y uniformes. Un planeta se mueve sobre una circunferencia menor (epiciclo) alrededor de un punto que se mueve también por la mayor (deferente) centrada en la Tierra.

Nicolás Copérnico y el Heliocentrismo

1. No existe un centro único de todas las órbitas o esferas celestes.
2. Las esferas giran en torno al Sol, que se encuentra en el centro (sistema heliocéntrico).
3. El movimiento aparente del Sol se debe al movimiento de la Tierra y de nuestra propia esfera, y giramos en torno al Sol como todos los planetas.
4. La esfera de las estrellas fijas es inmóvil y está muy alejada, es decir, no observamos el fenómeno de paralaje.
5. La Tierra tiene tres movimientos: traslación anual alrededor del Sol, rotación sobre su eje y un movimiento cónico.

Satélites

• Geoestacionarios: Uso en telecomunicaciones y observación meteorológica. Su eje coincide con el de la Tierra. Se mueven en el plano ecuatorial.
• Polares: Permiten obtener una mejor calidad en las observaciones terrestres que los geoestacionarios, por eso se utilizan para la detección y seguimiento de fenómenos terrestres.
• De telecomunicaciones: Actúan como espejos reflectores o repetidores que reenvían a tierra las señales que reciben.
• Meteorológicos: Toman fotos y datos sobre temperatura, humedad, presión, etc., que transmiten a los centros de procesamiento de datos.

Cohetes

• Sólidos: Impulsados por la combustión de un sólido adherido a la cámara de combustión. La combustión, una vez iniciada, no puede detenerse. Proporcionan facilidad de construcción, largo almacenaje y son reutilizables.
• Líquidos: Más complejos, mayor versatilidad y autonomía. La alimentación de la cámara de combustión se realiza impulsando el combustible y el oxidante. Las elevadas temperaturas y presiones alcanzadas en la cámara de combustión hacen necesario que la presión de inyección de los propelentes sea elevada.