¿Qué tan rápido viajan los satélites GPS?

Los satélites del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) viajan aproximadamente 14.000 km / hora, en relación con la Tierra en su conjunto, en contraposición a un punto fijo en su superficie. Las seis órbitas tienen una inclinación de 55 ° desde el ecuador, con cuatro satélites por órbita (ver diagrama). Esta configuración, cuyas ventajas se analizan a continuación, prohíbe la órbita geoestacionaria (fijada sobre un punto de la superficie) ya que no es ecuatorial.

En relación con la Tierra, los satélites GPS orbitan dos veces en un día sidéreo, el tiempo que las estrellas (en lugar del sol) tardan en volver a la posición original en el cielo. Dado que un día sidéreo es aproximadamente 4 minutos más corto que un día solar, un satélite GPS orbita una vez cada 11 horas y 58 minutos.

Con la Tierra girando una vez cada 24 horas, un satélite GPS alcanza un punto sobre la Tierra aproximadamente una vez al día. En relación con el centro de la Tierra, el satélite orbita dos veces en el tiempo que le toma a un punto de la superficie de la Tierra girar una vez.

Esto se puede comparar con una analogía más realista de dos caballos en una pista de carreras. El caballo A corre dos veces más rápido que el caballo B. Empiezan a la misma hora y en la misma posición. El caballo A tardará dos vueltas en atrapar al caballo B, que acaba de completar su primera vuelta en el momento de ser atrapado.

Muchos satélites de telecomunicaciones son geoestacionarios, lo que permite la continuidad en el tiempo de la cobertura sobre un área elegida, como el servicio a un país. Más específicamente, permiten apuntar una antena en una dirección fija.

Si los satélites GPS se limitaran a las órbitas ecuatoriales, como en las órbitas geoestacionarias, la cobertura se reduciría considerablemente.

Además, el sistema GPS no utiliza antenas fijas, por lo que la desviación de un punto estacionario y, por lo tanto, de una órbita ecuatorial no es desventajosa.

Además, las órbitas más rápidas (por ejemplo, orbitar dos veces al día en lugar de la de un satélite geoestacionario) significan pasos más bajos. Contrariamente a la intuición, un satélite más cercano desde la órbita geoestacionaria debe viajar más rápido que la superficie de la Tierra para mantenerse en el aire, para seguir "perdiendo la Tierra", ya que la altitud más baja hace que caiga más rápido hacia ella (por el cuadrado inverso ley). La aparente paradoja de que el satélite se mueve más rápido a medida que se acerca a la Tierra, lo que implica una discontinuidad en las velocidades en la superficie, se resuelve al darse cuenta de que La superficie de la Tierra no necesita mantener la velocidad lateral para equilibrar su velocidad de caída: se opone a la gravedad de otra manera: la repulsión eléctrica del suelo que la sostiene desde debajo.

Pero, ¿por qué hacer coincidir la velocidad del satélite con el día sideral en lugar del día solar? Por la misma razón, el péndulo de Foucault gira a medida que gira la Tierra. Tal péndulo no está limitado a un plano cuando oscila y, por lo tanto, mantiene el mismo plano. en relación con las estrellas (cuando se coloca en los polos): solo en relación con la Tierra parece girar. Los péndulos de reloj convencionales están restringidos a un plano, empujados angularmente por la Tierra mientras gira. Mantener la órbita de un satélite (no ecuatorial) girando con la Tierra en lugar de las estrellas implicaría una propulsión adicional para una correspondencia que se puede explicar fácilmente matemáticamente.

Sabiendo que el período es de 11 horas y 28 minutos, se puede determinar la distancia a la que debe estar un satélite de la Tierra y, por lo tanto, su velocidad lateral.

Usando la segunda ley de Newton (F = ma), la fuerza gravitacional en el satélite es igual a la masa del satélite multiplicada por su aceleración angular:

GMm / r ^ 2 = (m) (ω ^ 2r), para G la constante gravitacional, M la masa de la Tierra, m la masa del satélite, ω la velocidad angular yr la distancia al centro de la Tierra

ω es 2π / T, donde T es el período de 11 horas 58 minutos (o 43 080 segundos).

Nuestra respuesta es la circunferencia orbital 2πr dividida por el tiempo de una órbita, o T.

Usando GM = 3.99x10 ^ 14m ^ 3 / s ^ 2 da r ^ 3 = 1.88x10 ^ 22m ^ 3. Por lo tanto, 2πr / T = 1,40 x 10 ^ 4 km / seg.