Mise en orbite circulaire

Durée : 8 mn

Note maximale : 8

Question

On veut placer un satellite artificiel de la Terre sur une orbite circulaire de rayon \(R\).

Quelle doit être la vitesse \(\vec{V}\) du satellite à l'instant où il est mis sur cette orbite si l'on veut qu'il y reste ?

Les données sont :

\(m\), masse du satellite.

\(M\), masse de la Terre.

\(G\), constante de gravitation.

\(g\), accélération de la pesanteur à la surface de la Terre.

Solution

L'énergie mécanique du satellite dans le champ de gravitation terrestre se conserve : on peut donc écrire

\(\displaystyle{\frac{mi^2}{2}+\frac{L^2}{2mr^2}-\frac{GMm}{r}=\frac{mi^2}{2}+U_{eff}(r)=E}\)

(2 points)

Dans le cas d'une orbite circulaire, \(r=R\) : on a \(U_{eff}(R)=E\) et \(mRV=L\) car le moment cinétique est conservé lorsque le champ est central.

(2 points)

\(U_{eff}(R)\) est le minimum de \(U_{eff}(r)\) ; dans le cas contraire, l'équation \(\displaystyle{\frac{mi^2}{2}+U_{eff}(r)=E}\)

admettrait deux solutions \(r=R_1\) et \(r=R_2\) dans le cas d'une orbite fermée comme on le voit sur le graphe.

(2 points)

On a donc \(\displaystyle{\left(\frac{dU_{eff}}{dr}\right)_{r=R}=0}\)

ce qui donne \(\displaystyle{\frac{-L^2}{mR^3}+\frac{GMm}{R^2}=0}\)

ou bien \(\displaystyle{\frac{-mV^2}{R}+\frac{GMm}{R^2}=0}\)

(1 point)

On retrouve l'expression du Principe Fondamental de la Dynamique et finalement la vitesse est \(\displaystyle{V=\sqrt{\frac{GM}{R}}=\left(\frac{g}{R}\right)^{1/2}R}\).

(1 point)