13 sept. 2010

Orbitas y Velocidades

En el artículo anterior vimos que la sensación de ausencia de gravedad se debe a que un objeto en órbita realmente se encuentra en un estado de caída libre permanente. En el caso particular de una nave espacial como el Space Shuttle, una cápsula rusa Soyuz, la Estación Espacial Internacional, el telescopio Hubble, o los satélites de comunicaciones de México, la órbita tiene una geometría circular y la velocidad es constante. Sin embargo, la rapidez a la que cada uno de estos objetos se desplaza, depende de la altitud sobre el nivel del mar de su órbita. Una gran cantidad de satélites científicos y de percepción remota son colocados en “órbita baja”; el plano de inclinación de la órbita con relación al plano ecuatorial depende del objetivo o aplicación de cada uno de estos artefactos. Otras estructuras que también son colocadas en “órbita baja” son precisamente los laboratorios espaciales, como la Estación Espacial Internacional y sus predecesoras como la estación Skylab (NASA) y la estación Mir (Rusia); estas dos últimas ya no existen, pues después de varios años de orbitar el planeta, cayeron en espiral -vuelta tras vuelta- hacia la Tierra y se desintegraron a través de la atmósfera. El Space Shuttle u orbitador también vuela en órbita baja.

¿Qué es una órbita baja? ¿Hay otro tipo de órbitas? Desde luego que hay otras: las órbitas intermedias, la órbita geoestacionaria -ésta en singular, porque sólo hay una de este tipo-, las órbitas interplanetarias, las órbitas de transferencia, y además una infinidad de órbitas elípticas -como las de los planetas, las lunas y los cometas-. Como su nombre lo indica, una órbita será “baja” si la altitud sobre el nivel del mar del objeto que se desplaza a lo largo de ella (la órbita es una trayectoria cerrada imaginaria, como un circuito) no pasa de cierta cantidad de kilómetros; en general, el rango de esta altitud sobre el nivel del mar está entre los 200 km y mil km. Y si la órbita es circular, la velocidad del objeto es constante y del orden de 7.5 km/s.

Las órbitas intermedias son aquellas cuya altitud sobre el nivel del mar es superior a los mil km y hasta unos 25 mil km. Por ejemplo, todos los satélites de la constelación GPS (Sistema de Posicionamiento Global) y los de su análoga rusa Glonass se desplazan en órbitas circulares con planos de diferente inclinación con respecto al plano ecuatorial, a altitudes del orden de 20 mil km. Como están a mayor altitud que los satélites de órbita baja, su velocidad es menor, tan “sólo” de unos 4.5 km/h. La futura constelación Galileo de la Agencia Espacial Europea para posicionamiento global constará de 30 satélites orbitando la Tierra en tres planos diferentes, todos a una altitud de 23 mil km.

Nótese que las órbitas circulares son un caso muy particular dentro de la gran familia de órbitas, que en general son elípticas. Es raro colocar satélites en órbita elíptica alrededor de la Tierra, pero sí ha sucedido, como por ejemplo en el caso de los satélites rusos Molniya. La peculiaridad de un satélite que no tiene órbita circular, sino elíptica, es que su velocidad no es constante, pues la trayectoria tiene un apogeo y un perigeo. Así, por ejemplo, nuestra Luna o satélite natural orbita a la Tierra siguiendo una ruta elíptica; a veces está más cerca y a veces más lejos de la superficie, de modo que a veces la vemos muy grande y otras veces más pequeña.

De una de las leyes del gran científico Kepler podemos calcular la velocidad de un satélite en órbita elíptica. Por ejemplo, cuando un satélite Molniya se halla en su apogeo -cerca de los 40 mil km sobre el nivel del mar-, su velocidad es mínima y de 1.5 km/s; en cambio, cuando está en su perigeo -punto más cercano a la Tierra, a 600 km de altitud-, su velocidad es máxima y del orden de 10 km/s. Lo mismo sucede con un cometa como el Halley cuando se acerca al Sol: su velocidad es máxima en el perigeo (punto más cercano al Sol) y mínima en su apogeo (punto más alejado del Sol).

Para finalizar, podemos hacernos la siguiente pregunta: ¿Qué satélites completan una vuelta alrededor de la Tierra más rápido, los de órbita baja o los de órbita intermedia? La respuesta no es tan obvia, porque nuevamente tenemos que recurrir a la tercera ley de Kepler, que incluye al cubo del semieje mayor y una raíz cuadrada, para calcular lo que se denomina “periodo orbital”, es decir el tiempo en el que un objeto completa una vuelta entera. Las órbitas circulares son simplemente órbitas “elípticas” con excentricidad igual a cero; o sea que son las integrantes de la gran familia de elipses donde sólo hay un foco (el centro del círculo) en lugar de dos, y donde no existe ni un apogeo ni un perigeo (el radio de un círculo es una constante), y por lo tanto son más sencillas de analizar. El periodo orbital de un satélite de órbita baja circular es del orden de una hora y media; recuérdese, por ejemplo, que un orbitador de la NASA -a aproximadamente 350 km de altitud- completa una vuelta en 90 minutos. En cambio, el periodo orbital de un satélite en órbita circular intermedia es cercano a siete horas.

En conclusión, los satélites que están más cerca de la superficie terrestre se mueven más rápido y tardan menos tiempo en completar una vuelta que los satélites en órbitas más altas. Pero no olvidemos que el camino total recorrido en una órbita circular (o sea el perímetro) es mucho menor en una órbita baja que en una órbita intermedia. Felices fiestas patrias a todos y ¡Viva nuestro querido México!

*Lecciones de Dinámica Orbital (2)

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