Órbita de herradura

En mecánica celeste, una órbita en herradura es un tipo de movimiento coorbital de un cuerpo pequeño en órbita en relación con un cuerpo en órbita más grande. El período orbital osculante (instantáneo) del cuerpo más pequeño permanece muy cercano al del cuerpo más grande, y si su órbita es un poco más excéntrica que la del cuerpo más grande, durante cada período parece trazar una elipse alrededor de un punto en la órbita. órbita de un objeto más grande. Sin embargo, el circuito no está cerrado, sino que se desplaza hacia adelante o hacia atrás, de modo que el punto que rodea parece moverse suavemente a lo largo de la órbita del cuerpo más grande durante un largo período de tiempo. Cuando el objeto se acerca al cuerpo más grande en cualquiera de los extremos de su trayectoria, su dirección aparente cambia. Durante un ciclo completo, el centro traza el contorno de una herradura, con el cuerpo más grande entre los "cuernos".

Los asteroides en órbitas de herradura con respecto a la Tierra incluyen 54509 YORP, 2002 AA29, 2010 SO16, 2015 SO2 y posiblemente 2001 GO2. Una definición más amplia incluye 3753 Cruithne, que se puede decir que está en una órbita compuesta y/o de transición, o (85770) 1998 UP1 y 2003. YN107. En 2016, se descubrieron 12 libradores de herradura en la Tierra.

Las lunas de Saturno, Epimeteo y Jano, ocupan órbitas de herradura entre sí (en su caso, no hay bucles repetidos: cada una traza una herradura completa con respecto a la otra).

Explicación del ciclo orbital en herradura

Fondo

La siguiente explicación se refiere a un asteroide que se encuentra en dicha órbita alrededor del Sol y que también se ve afectado por la Tierra.

El asteroide se encuentra casi en la misma órbita solar que la Tierra. Ambos tardan aproximadamente un año en orbitar el Sol.

También es necesario comprender dos reglas de la dinámica orbital:

1. Un cuerpo más cercano al Sol completa una órbita más rápidamente que un cuerpo más lejos.
2. Si un cuerpo se acelera a lo largo de su órbita, su órbita se mueve hacia afuera desde el Sol. Si se desacelera, el radio orbital disminuye.

La órbita de herradura surge porque la atracción gravitacional de la Tierra cambia la forma de la órbita elíptica del asteroide. Los cambios de forma son muy pequeños pero dan como resultado cambios significativos en relación con la Tierra.

La herradura se hace evidente sólo cuando se mapea el movimiento del asteroide en relación tanto con el Sol como con la Tierra. El asteroide siempre orbita alrededor del Sol en la misma dirección. Sin embargo, pasa por un ciclo de alcanzar a la Tierra y quedarse atrás, de modo que su movimiento en relación tanto con el Sol como con la Tierra traza una forma parecida al contorno de una herradura.

Etapas de la órbita

A partir del punto A, en el anillo interior entre L5 y la Tierra, el satélite orbita más rápido que la Tierra y está en camino de pasar entre la Tierra y el Sol. Pero la gravedad de la Tierra ejerce una fuerza de aceleración hacia afuera, empujando al satélite a una órbita más alta que (según la tercera ley de Kepler) disminuye su velocidad angular.

Cuando el satélite llega al punto B, viaja a la misma velocidad que la Tierra. La gravedad de la Tierra sigue acelerando el satélite a lo largo de su trayectoria orbital y continúa empujándolo a una órbita más alta. Finalmente, en el punto C, el satélite alcanza una órbita lo suficientemente alta y lenta como para comenzar a quedarse atrás de la Tierra. Luego pasa el siguiente siglo o más dando la impresión de estar 'hacia atrás' alrededor de la órbita cuando se ve en relación con la Tierra. Su órbita alrededor del Sol todavía dura poco más de un año terrestre. Con el tiempo suficiente, la Tierra y el satélite estarán en lados opuestos del Sol.

Finalmente, el satélite llega al punto D, donde la gravedad de la Tierra ahora está reduciendo la velocidad orbital del satélite. Esto hace que caiga a una órbita más baja, lo que en realidad aumenta la velocidad angular del satélite alrededor del Sol. Esto continúa hasta el punto E, donde la órbita del satélite es ahora más baja y más rápida que la órbita de la Tierra, y comienza a moverse por delante de la Tierra. Durante los siguientes siglos completa su viaje de regreso al punto A.

A largo plazo, los asteroides pueden transferirse entre órbitas de herradura y órbitas cuasi-satélite. Los cuasi satélites no están ligados gravitacionalmente a su planeta, sino que parecen girarlo en dirección retrógrada mientras giran alrededor del Sol con el mismo período orbital que el planeta. En 2016, los cálculos orbitales mostraron que cuatro de los libradores de herradura de la Tierra y los cinco cuasi-satélites entonces conocidos se transfieren repetidamente entre órbitas de herradura y cuasi-satélite.

Punto de vista energético

Se puede observar una visión algo diferente, pero equivalente, de la situación al considerar la conservación de la energía. Es un teorema de la mecánica clásica que un cuerpo que se mueve en un campo potencial independiente del tiempo mantendrá su energía total, E = T + V, conservada, donde E es total. energía, T es energía cinética (siempre no negativa) y V es energía potencial, que es negativa. Es evidente entonces, dado que V = -GM/R cerca de un cuerpo gravitante de masa M y radio orbital R, que visto desde un < i>estacionario, V aumentará para la región detrás de M y disminuirá para la región delante de él. Sin embargo, las órbitas con menor energía total tienen períodos más cortos, por lo que un cuerpo que se mueve lentamente hacia adelante de un planeta perderá energía, caerá en una órbita de período más corto y, por lo tanto, se alejará lentamente o será "repelido" 34; de eso. Los cuerpos que se mueven lentamente en el lado posterior del planeta ganarán energía, se elevarán a una órbita más alta y más lenta y, por lo tanto, se quedarán atrás, igualmente repelidos. Así, un cuerpo pequeño puede moverse hacia adelante y hacia atrás entre una posición de avance y otra de seguimiento, sin acercarse nunca demasiado al planeta que domina la región.

Órbita del renacuajo

Vea también troyanos (órgano celeste).

La Figura 1 de arriba muestra órbitas más cortas alrededor de los puntos lagrangianos L4 y L5 (por ejemplo, las líneas cercanas a los triángulos azules). Éstas se denominan órbitas de renacuajo y se pueden explicar de manera similar, excepto que la distancia del asteroide a la Tierra no oscila hasta el punto L3 al otro lado del Sol. A medida que se acerca o se aleja de la Tierra, la atracción cambiante del campo gravitacional de la Tierra hace que se acelere o desacelere, provocando un cambio en su órbita conocido como libración.

Un ejemplo de órbita de renacuajo es Polideuces, una pequeña luna de Saturno que gira alrededor del punto L5 posterior en relación con una luna más grande, Dione. En relación con la órbita de la Tierra, el asteroide 2010 TK7 de 300 metros de diámetro (980 pies) se encuentra en una órbita de renacuajo alrededor del punto líder L4. 2020 VT1 sigue una órbita temporal en herradura con respecto a Marte.