¿Qué fuerza requiere un satélite que gira alrededor de la Tierra?

¿Qué fuerza requiere un satélite que gira alrededor de la Tierra?

En el contexto de la teoría de la gravedad actualmente aceptada, la (teoría de) la relatividad general, la respuesta es que no se requiere fuerza .

Considere el caso de una pelota forzada a un movimiento circular uniforme debido a una cuerda. De acuerdo con un acelerómetro adjunto a la pelota, existe una aceleración de magnitud constante dirigida hacia el centro de la trayectoria circular; esta es la aceleración centrípeta requerida para un movimiento circular uniforme. La fuerza centrípeta responsable de la aceleración proviene de la tensión en la cuerda.

Ahora, considere un acelerómetro unido a una bola en una órbita circular alrededor de la Tierra. Podríamos esperar que el acelerómetro en la pelota lea la aceleración centrípeta pero, de hecho, ¡ el acelerómetro (idealmente) lee cero! Evidentemente, no hay una fuerza neta que actúe sobre la bola en órbita. ¿Por qué entonces la pelota sigue una trayectoria circular?

En la vista GR, la pelota sigue una trayectoria no acelerada (geodésica) en el espacio-tiempo que está curvada por la masa de la Tierra (el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse; la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse ).

La verdad es que para que un satélite gire alrededor de la tierra, se requieren tanto fuerzas centrífugas como centrífugas. Porque mientras el cuerpo se mueve en una trayectoria circular su velocidad en un punto es a lo largo de la tengente trazada desde ese punto que da lugar a la fuerza centrífuga y en el caso de un satélite la fuerza centrífuga está dada por la gravedad de la tierra y la fuerza centrífuga es dada por su velocidad. Y si no hubiera fuerza centrífuga el satélite tendría que caer sobre la tierra.

Es cierto que solo existe la fuerza centrípeta, que es la fuerza gravitacional que mantiene al cuerpo en órbita. El cuerpo cae continuamente debido a la fuerza, pero también tiene un impulso perpendicular a la dirección radial, por lo que orbita (supongo que conoce estos detalles).

La fuerza centrífuga se agrega en el análisis si está en el marco de referencia del cuerpo , o marco de referencia donde se mueve en línea recta. Entonces es un marco no inercial (acelerador) que no sigue la segunda ley de Newton, es decir , la fuerza centrípeta actúa sobre el cuerpo, ¡pero no se mueve hacia él (en su marco)! Para contrarrestar esto, se agrega una fuerza ficticia, igual y opuesta a la fuerza centrípeta real, y esa es la fuerza centrífuga.

El caso es similar a cómo la dirección de rotación de los ciclones se explica por la fuerza de Coriolis en el marco de referencia de la Tierra. Es más conveniente que tomar el marco intertial real y estudiar explícitamente la rotación de la tierra.

En pocas palabras, es la fuerza centrípeta la que mantiene al satélite en órbita.

Pero entendamos un poco más la terminología. El satélite está en el espacio y está siendo atraído por la gravedad de la Tierra. La dirección de esta fuerza gravitacional que la Tierra ejerce sobre el satélite es la búsqueda del centro , y llamamos a esta fuerza fuerza centrípeta (que significa búsqueda del centro).

Pero si estás en el satélite, te sientes ingrávido. Miras hacia fuera y ves la Tierra. Dices: "Hmm, la Tierra está ahí, así que la gravedad debería estar ahí". Entonces, siendo un buen físico newtoniano, dibujas un diagrama de cuerpo libre. Pero te das cuenta de que la única forma en que puedes ser ingrávido es que debe haber una fuerza de búsqueda externa, denominada fuerza centrífuga, que está cancelando la fuerza gravitacional. Pero se desconoce la causa de esta fuerza, si es que existe. Resulta que estar en el satélite acelerado significa que no estás en un marco inercial, y esta fuerza centrífuga es una fuerza ficticia.

Cuándo usar qué terminología depende de su marco de referencia. Tienes que tener muy claro en qué marco de referencia estás trabajando, pero personalmente me limito a la interpretación de la fuerza centrípeta.