Interacciones gravitatoria y
eléctrica
Astronáutica
Satélites artificiales
• Los satélites artificiales son
objetos de fabricación humana
que se colocan en órbita
alrededor de un cuerpo celeste
como un planeta o un satélite
natural. El primer satélite artificial
fue el Sputnik I lanzado por la
Unión Soviética el 4 de octubre de
1957. Desde entonces se han
colocado en órbita miles de
satélites artificiales muchos de los
cuales aún continúan en órbita
alrededor de la Tierra.
• Para colocar un satélite artificial
alrededor de la Tierra se necesita
de un mecanismo impulsor que
llamamos cohete
1- SATELITE
METEOROLOGICO
Analizan y evían
datos sobre el clima
en la Tierra.
2- SATELITES DE
COMUNICACIONES
Permiten la recepción
y transmisión de
señales de radio,
televisión, telefonía,
Internet, etc.
3- SATELITES
MILITARES
Son usados con fines
estratégicos secretos
por parte de áreas
militares.
d
a
t
o
s
m
e
t
e
o
r
o
l
ó
g
i
c
o
s
r
e
c
o
g
i
d
o
s
p
o
r
l
o
s
b
u
q
u
e
s
,
l
a
s
b
Función de los satélites meteorológicos
Las imágenes visibles o en
infrarrojos tomadas por el
METEOSAT se transmiten a las
estaciones centrales de Tierra;
luego, una vez elaboradas y
corregidas, son remitidas al
satélite, que las distribuye a las
estaciones usuarias. Al
METEOSAT, además, llegan los
datos meteorológicos recogidos
por los buques, las balizas, los
globos sonda y los satélites en
órbita polar baja, y los distribuye
a la estación central y a las
pequeñas estaciones de los
clientes (radio, TV, Internet, etc.)
Satélites meteorológicos
Satélites españoles
• En 1975 nuestro país puso en órbita su primer satélite, el Intasat.
Desde entonces han sido otros cinco pájaros los que hemos
lanzado al espacio. A principios de los 90 fueron los dos primeros
Hispasat, a los que se dio una aplicación comercial que, entre otras
cosas, permite ver partidos de fútbol de cualquier ciudad española
en el punto del planeta que se quiera. El siguiente lo hicieron
profesores y alumnos de la Universidad Politécnica de Madrid, al
que siguió el Minisat 01 y, hace menos de un año, el último
Hispasat.
• Como los dos primeros están ya al final de su vida útil, existen otros
dos satélites en cartera para ser enviados al espacio cuando se
cumplan todos los requisitos técnicos y burocráticos, como darlos
de alta en la lista oficial de la ONU. Pese a que no somos ninguna
potencia espacial, se puede afirmar que tenemos una industria muy
competitiva para nuestra capacidad económica.
Tipos de satélites
Para propósitos de estudio es conveniente clasificar los diferentes tipos
de misiones satelitales basándose en las características principales
de sus órbitas respectivas:
• Satélites geoestacionarios (GEO). Son los que se ubican en la
órbita del mismo nombre, sobre la línea del Ecuador y a una altitud
de 36 mil km. Son utilizados para la transmisión de datos, voz y
video.
• Satélites no geoestacionarios. Que a su vez se dividen en dos:
– Los Mediun Earth Orbit (MEO), ubicados en una órbita terrestre media
a 10. 000 km de altitud.
– Los Low Earth Orbit (LEO), localizados en órbita más baja, entre 250 y
1500 km de altitud. Tanto los satélites MEO como los LEO, por su
menor altitud, tienen una velocidad de rotación distinta a la terrestre y,
por lo tanto, más rápida; se emplean para servicios de percepción
remota, telefonía etc., por
ÓRBITAS
Órbitas de satélites
• Órbitas de Proyectiles y Satélites
• Calcula la altura de la torre.
• ¿Cuánto tarda el satélite en dar una
vuelta?
• altura de la torre.bmp
Órbitas de satélites
• La órbita geoestacionaria.
• ¿A qué distancia de la Tierra está esa
órbita?
• ¿A qué velocidad se mueven los satélites
de esa órbita?
• ¿A qué velocidad gira la Tierra?
• satélite geoestacionario.bmp
COHETES
• Corría el siglo XIII cuando los chinos inventaron
los primeros cohetes: pequeños artefactos elaborados
con pólvora que al prenderse salían disparados hacia arriba
liberando luces de colores y un sonido ensordecedor. En la
noche previa a una batalla su uso resultaba perfecto para un
fin deliberadamente psicológico: amedrentar al enemigo.
Mucho tiempo después, cuando Inglaterra invadió la India a
finales del siglo XVIII, los hindúes, conocedores de la
ancestral técnica china, usaron cohetes y lograron
intimidar a las tropas británicas durante las primeras
batallas, aunque no lo suficiente para evitar la larga y cruenta
colonización que seguiría por más de cien años. De hecho,
los propios ingleses se adueñaron de la técnica de la
cohetería y la perfeccionaron, con la consecuente invención
de los misiles o cohetes cargados con paquetes
explosivos. Esta nueva versión letal de los
cohetes se utilizó contra los estadounidenses en
la guerra de 1812, causando importantes bajas entre sus
tropas. Sin embargo, el avance de la artillería convencional
desplazó por muchos años el uso de cohetes como armas de
guerra, y fue hasta la Segunda Guerra Mundial que se
inventaron dos nuevas y sofisticadas versiones
del misil: la bazooka estadounidense y la katusha
soviética.
COHETES
• A principios del siglo XX dos hombres concibieron de manera
independiente un nuevo y más edificante uso para los cohetes: la
exploración de la estratósfera, los viajes a la Luna y el estudio del
espacio exterior. Ellos eran curiosamente un ruso, Konstantin
Tsiolkovsky, y un estadounidense, Robert Goddard (curioso porque a lo
largo de todo el siglo pasado e inclusive hoy en día, Rusia -ex integrante de la Unión
Soviética- y los Estados Unidos han sido y siguen siendo las dos grandes potencias
de la exploración espacial). Los primeros cohetes parecidos a los
actuales fueron lanzados a partir de 1926, y alcanzaban alturas de
apenas 60 metros. Goddard fue el pionero en cambiar la pólvora por
combustibles líquidos y en añadir oxígeno -también en forma líquida- para
que se llevara a cabo la reacción de combustión de forma efectiva. Ya entonces se
sabía que en las capas superiores de la atmósfera no existe suficiente oxígeno para
que la combustión de la pólvora sea eficiente, por lo que, cuando se quiere que se
eleve a grandes alturas, el cohete tiene que incluir su propio comburente u oxidante;
en este caso el oxígeno líquido, conocido como "lox" en la jerga de los que diseñan y
construyen estos artefactos.
COHETES
•
Por sus trabajos, Tsiolkovsky fue muy reconocido en la Unión Soviética,
donde se le consideró el padre de la era espacial, e incluso los soviéticos dieron su nombre a un
cráter en la parte oscura de la Luna. En cambio, los logros de Goddard no fueron
originalmente muy conocidos en los Estados Unidos, con excepción hecha
de sus vecinos quienes, hartos de las frecuentes explosiones y aterrizajes fortuitos de cohetes
por todos lados, impidieron judicialmente que el inventor continuara llevando a cabo sus
experimentos en las cercanías de la comunidad. Esto lo obligó a mudarse a un lugar muy
apartado, donde entre 1930 y 1935 sus vehículos alcanzaron velocidades de 900 km. por hora y
alturas cercanas a los tres kilómetros.
También
desarrolló sistemas de dirección de vuelo por
medio de giróscopos y patentó la idea de los cohetes
múltiples o de varias etapas. Debido a que cada etapa deja atrás parte del
peso de la anterior y empieza a una velocidad mayor impartida por la etapa precedente, un
cohete dividido en una serie de partes logra alcanzar velocidades mucho mayores y subir más de
lo que puede hacerla un cohete de una sola sección, que sale cargado con la misma cantidad de
combustible en un solo depósito. Gracias a este principio (que Goddard no vio funcionar), los
cohetes modernos son capaces de vencer a la gravedad de nuestro planeta, lo cual requiere una
velocidad de 40 000 km/h, conocida también como "velocidad de escape terrestre".
COHETES
• No fue hasta la Segunda Guerra Mundial que la marina
estadounidense, interesada en el uso bélico de los cohetes,
empezó a financiar el trabajo de Goddard. Simultáneamente, el
gobierno alemán invertía gran capital humano y económico en la
investigación sobre cohetes, usando entre su equipo de trabajo a un
grupo de jóvenes inspirados originalmente por Hermann Oberth.
Éste era un matemático rumano, quien en 1923 había escrito sobre
cohetes de forma independiente a los artículos de Tsiolkovsky y
Goddard.
La investigación alemana comenzó en 1935 y culminó con el
desarrollo de los famosos V-2, bajo la guía del experto en cohetes
Wernher von Braun, responsable del lanzamiento del primer cohetemisil real en 1942. El V-2 entró en combate en 1944, demasiado
tarde para ayudar a ganar la guerra a los nazis, a pesar de que
dispararon hasta 4 300 de estos cohetes, 1 230 de los cuales
cayeron sobre Londres. Los misiles V-2 mataron a 2 500 ingleses e
hirieron gravemente a casi 6 000.
COHETES
•
Los cohetes requieren de una reacción química extremadamente rápida, que libere
además grandes cantidades de energía. El tipo de combustible más utilizado en los
primeros cohetes fue la combinación de un hidrocarburo líquido, como el alcohol o el
queroseno, con oxígeno líquido como comburente. El oxígeno, o cualquier otro agente
oxidante (que cede oxígeno a la reacción), deben acarrearse en el cohete, dada la falta de este
agente fuera de la atmósfera. La forma líquida del oxidante es apropiada, ya que así puede
bombearse rápidamente a la cámara de combustión. Por consiguiente, el oxígeno líquido se ha
convertido en un elemento indispensable en la industria aeroespacial para el envío de satélites,
sondas, naves tripuladas, etcétera.
La eficiencia de la mezcla de combustible y oxidante se mide por medio de una unidad conocida
como "impulso específico". Éste representa la masa de producto gaseoso obtenido de la reacción
al quemar cierta cantidad de la mezcla combustible/comburente en un segundo.
Para una mezcla de queroseno y oxígeno, el impulso específico es de 242. Dado que la carga
que lleva el cohete depende del impulso específico, se han estudiado una considerable cantidad
de combinaciones para obtener mayor eficiencia por unidad de masa de mezcla. El mejor
combustible químico bajo este punto de vista es el hidrógeno, que combinado con el oxígeno
forma enormes cantidades de vapor de agua y logra que se alcance un valor de impulso
específico de hasta 444.
Otros oxidantes que se podrían usar son flúor líquido y ozono líquido, pero no han tenido
aplicación comercial hasta ahora dado su altísimo costo y difícil manejo. También se han
realizado lanzamientos experimentales utilizando otros combustibles como metales ligeros -litio,
boro, magnesio, aluminio y, particularmente, berilio- que liberan aún más energía al combinarse
con oxígeno que el propio hidrógeno.
Sin embargo, el uso de estos metales ofrece varios inconvenientes como la generación de humo,
depósitos de óxidos en la maquinaria, etc. Un ejemplo de que el uso de hidrógeno
combinado con queroseno como combustible y oxígeno líquido como comburente
sigue siendo la mejor opción, es el motor de cohetes RL-10, desarrollado en los
Estados Unidos y que desde 1963 ha operado en más de 175 lanzamientos sin
haber fallado.
COHETES
•
Goddard murió el l0 de agosto de 1945, días antes del final de la guerra y justo en el momento en que la chispa de su inspiración se
estaba convirtiendo en una flama ya inextinguible.
Los Estados Unidos y la Unión Soviética, estimulados
por el éxito de los V-2, se lanzaron a la investigación para el desarrollo masivo de
cohetes y misiles, y contrataron a numerosos expertos alemanes para que trabajaran de su lado. Asesorados por von Braun,
en 1949 los Estados Unidos lanzaron un cohete V-2 alemán recuperado de la guerra a la increíble altura de 207 km y, en el mismo año,
otro grupo de expertos lanzó un cohete de dos etapas que alcanzó la altura de 405 km.
La nueva era comenzó cuando el 4 de octubre de 1957 (celebrando el centenario del
nacimiento de Tsiolkovsky), la Unión Soviética puso el primer satélite artificial en
órbita: el Sputnik I fue enviado al espacio por medio de un cohete y viajó alrededor
de la Tierra en una órbita elíptica, a 255 km. de la superficie terrestre. Los estadounidenses,
entre asombrados y aterrorizados por el primer paso dado por la entonces potencia enemiga, se lanzaron de forma enardecida a la tarea
de igualar y rebasar a la URSS en cualquier área de la exploración terrestre y espacial. A partir de entonces y durante los últimos 40
años, misiones, laboratorios y estaciones espaciales con nombres tan inspiradores como Mercurio, Géminis, Soyuz, Apolo, Skylab,
Challenger o Mir (entre tantos otros) han sido proyectos que deben su advenimiento al desarrollo de los cohetes. Proyectos que por su
interés y trascendencia, son merecedores de sus propios artículos. Goddard murió el l0 de agosto de 1945, días antes del final de la
guerra y justo en el momento en que la chispa de su inspiración se estaba convirtiendo en una flama ya inextinguible. Los Estados
Unidos y la Unión Soviética, estimulados por el éxito de los V-2, se lanzaron a la investigación para el desarrollo masivo de cohetes y
misiles, y contrataron a numerosos expertos alemanes para que trabajaran de su lado. Asesorados por von Braun, en 1949 los Estados
Unidos lanzaron un cohete V-2 alemán recuperado de la guerra a la increíble altura de 207 km y, en el mismo año, otro grupo de
expertos lanzó un cohete de dos etapas que alcanzó la altura de 405 km.
La nueva era comenzó cuando el 4 de octubre de 1957 (celebrando el centenario del nacimiento de Tsiolkovsky), la Unión Soviética puso
el primer satélite artificial en órbita: el Sputnik I fue enviado al espacio por medio de un cohete y viajó alrededor de la Tierra en una órbita
elíptica, a 255 km. de la superficie terrestre. Los estadounidenses, entre asombrados y aterrorizados por el primer paso dado por la
entonces potencia enemiga, se lanzaron de forma enardecida a la tarea de igualar y rebasar a la URSS en cualquier área de la
exploración terrestre y espacial. A partir de entonces y durante los últimos 40 años, misiones, laboratorios y estaciones espaciales con
nombres tan inspiradores como Mercurio, Géminis, Soyuz, Apolo, Skylab, Challenger o Mir (entre tantos otros) han sido proyectos que
deben su advenimiento al desarrollo de los cohetes. Proyectos que por su interés y trascendencia, son merecedores de sus propios
artículos.
COHETES
• Todos los cohetes son motores de reacción. Su sistema de
propulsión se basa en la tercera ley de Newton, que
establece que a cada acción corresponde una reacción de
igual magnitud y dirección contraria. En un cohete la
"acción" es la salida de gases calientes a gran velocidad
desde una tobera ubicada en su cola, y la "reacción" a
estas fuerzas hace que el cuerpo del cohete salga
disparado en la otra dirección. Este principio es común en
nuestro entorno y puede demostrarse fácilmente al inflar
un globo y soltarlo.
COHETES
•
•
En el caso de un cohete se aplican condiciones de propulsión similares. Al
quemar combustible en una cámara de combustión se produce un gas
caliente bajo gran presión y este gas ejerce una presión igual en todas
direcciones sobre las paredes de la cámara. Si ahora se hace una abertura
(tobera) en un lado de la cámara, el gas saldrá a velocidades supersónicas;
al mismo tiempo, una fuerza de reacción será ejercida en el lado opuesto
de la cámara, y ésta es la fuerza de reacción o "empuje" que impulsa el
cohete hacia arriba.
Por esta razón, un cohete puede funcionar independientemente del aire de
la atmósfera y en las condiciones cercanas al vacío del espacio exterior; ya
que no requiere (como en el caso de los aviones tipo jet) empujar el aire
por detrás de él. La presencia de aire es de hecho un problema para los
cohetes, ya que ofrece resistencia al movimiento y eso hace que al
principio del lanzamiento se muevan más lentamente que en los ambientes
menos densos a medida que se elevan.
•
COHETES Y SATÉLITES
Partes de un cohete
Principales hitos en astronáutica
1957 - 4 de octubre Primer satélite artificial de la Tierra el Spuknit 1 U.R.S.S.
1957 - 3 de noviembre Primer lanzamiento al espacio de un ser vivo (la perra Laika en el Spuknit 2)
1958 - 1 de febrero Primer satélite artificial de EE.UU. el Explorer I
1958 - 18 de diciembre Primer satélite de comunicaciones Score (EE.UU.)
1959 - 12 de septiembre Luna 2 U.R.S.S. primera sonda en alcanzar la Luna
1959 - 4 de octubre Luna 3 (U.R.S.S.) Primeras fotografías de la cara oculta de la Luna.
1962 - 20 de febrero Friendship 7 EE.UU. Primer vuelo orbital tripulado estadounidense
1961 - 12 de febrero Venera 1 URSS, primer lanzamienot hacia Venus.
1969 - 21 de julio Apolo 11 EE.UU. Primer desembarco en la Luna (N. Astomg, E.Aldrin)
1971 - 19 de abril Salyut 1 U.R.S.S. Lanzamiento de la primera estación espacial tripulada.
1973 - 14 de mayo Skylab 1 EE.UU. Primera estción orbital estadounidense.
1974 - 29 de marzo - Mariner 10 EE.UU.. Primer sobrevuelo del planeta Mercurio (Lanzado 3 de Noviembre de
1973)
(en edición)
1975 - 17 de julio - Apolo 18 y Soyuz 19 EE.UU. y URSS Acoplamiento de cápsulas en primera misión conjunta.
1975 - 22 de octubre - Venera 9 U.R.S.S. Primeras imágenes de Venus
1976 - 20 de julio - Viking 1 EE.UU. Primer amartizaje en Marte
1977 - 15 de junio - Soyuz 26 U.R.S.S. Récord de permanencia en espacio (139 días)
1977 - Lanzamiento de las sondas Voyager 1 y 2 con destino a Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Ambas están
fuera del Sistema Solar en estos momentos.
1979 - 1 de septiembre - Pioneer 11 EE.UU. Primer sobrevuelo de Saturno.
1979 - 24 de diciembre - Ariane 1 Europa Primer lanzamiento con éxito de un cohete lanzador europeo
1986 - Sonda Vega para investigar a Venus y fotografiar el núcleo del Cometa Halley.
1990 - Puesta en órbita del Telescopio espacial Hubble.
1995 - Lanzamiento de la sonda Clementine, que investigó y envió millones de fotografías de la Luna. Encontró
indicios de hielo en los cráteres polares.
1996 - Lanzamiento de la misión Mars Sojourner, ésta llegaría con el vehículo Mars Pathfinder al planeta rojo y
darían imágenes y estudiarían el suelo y otras naturalidades del planeta.
1997 - Lanzamiento de la sonda Cassini que en junio de 2004 llegó a Saturno junto con su "módulo" Huygens.
Estudiarán el planeta y su gran satélite natural, Titán.
Subiendo el satélite
• ¿Qué energía necesitamos para subir el
satélite?
• ¿A qué velocidad saldrá de la Tierra?
• Energía necesaria para subir el
satélite.bmp
Energía potencial gravitatoria
• En las proximidades de la Tierra, cuando
podemos considerar g = cte; EpgA=mghA
• En cualquier otro punto.
Energía del satélite en la órbita
• ¿Qué energía tiene el satélite en la órbita?
• Energía de un satélite en órbita.bmp
Velocidad de escape
• ¿Qué pasa si aumentamos la velocidad de
un satélite en órbita?
• Órbitas de Proyectiles y Satélites
• Calculemos la velocidad de escape.
• velocidad de escape.bmp
Estación espacial internacional
La tierra desde la Luna
Resultados actividad.19.
• 1.- el valor de v0= 29 Km/s
• - el valor de la aceleración de la gravedad, g, en
la superficie del planeta.
• 19,72 m/s2
• 2.- ¿Cuál sería la energía cinética con que
llegaría la Luna a la superficie terrestre? 4,58
1018 J.
• ¿Qué cantidad de agua se evaporaría si toda
aquella energía cinética se empleara en
evaporar agua de mar?. 1527 millones de
toneladas.
Resultados actividad 20
• 1.- Determina la energía de los satélites geoestacionarios.
• 4,72 106 m J, siendo m la masa del satélite.
• 2.- Determina el radio de la órbita circular que podría conseguirse
con la nueva energía de lanzamiento. 8200 Km
Resultados actividad 21
• 1.- Calcula la velocidad de escape correcta. 237
m/s
• 2.- la velocidad orbital del satélite. 3,5 Km/s.
• - Calcula la masa del satélite. 2016 kg
• 3.- Calcula la máxima masa que puede tener el
planeta imaginario. MT /44 = 1,3 1023 Kg.
• - ¿cómo podrías calcular su velocidad de escape?
ve 
2 g 0 R0
Energía potencial eléctrica
• ¿Con qué velocidad se moverá la carga
cuando pase por el punto 2?
-
-q
-Q
2
• Energía potencial eléctrica.bmp
Interacción a distancia
• FUERZAS
M F
12
F12
m
M
F21 m
F12  F 21  G
Q
• ENERGÍA
E pg  G
Mm
Mm
2
r12
Q
r12
q
F21 q
F12  F 21  K
Qq
2
r12
E pe  K
Qq
r12
Descargar

Interacciones gravit..