Soal: Gerak Satelit di Orbit Elips
Sebuah satelit bergerak dalam orbit elips mengelilingi sebuah planet dengan massa . Pada titik terdekatnya (periapsis), satelit berada pada jarak . Pada titik terjauh (apoapsis), satelit berada pada jarak dari pusat planet.
- Tentukan kecepatan satelit di titik apoapsis.
- Hitung energi mekanik total satelit dalam orbit tersebut.
- Analisis berapa banyak energi yang harus ditambahkan ke satelit di periapsis agar satelit bisa masuk ke orbit lingkaran dengan jari-jari .
- Jika planet memiliki atmosfer tipis di sekitar periapsis, bagaimana pengaruhnya terhadap orbit satelit? Analisis secara kualitatif.
Jawaban dan Analisis:
Langkah 1: Mencari Kecepatan di Apoapsis
Kecepatan satelit di titik terdekat (periapsis) dan titik terjauh (apoapsis) dalam orbit elips dapat dihitung menggunakan hukum kekekalan momentum sudut. Dalam orbit elips, momentum sudut satelit adalah konstan:
Maka, kecepatan di titik apoapsis adalah:
Substitusi nilai , , dan :
Jadi, kecepatan satelit di apoapsis adalah sekitar 3.733 m/s.
Langkah 2: Menghitung Energi Mekanik Total Satelit
Energi mekanik total satelit dalam orbit elips adalah jumlah dari energi kinetik dan energi potensial gravitasi. Kita bisa menggunakan rumus umum untuk energi mekanik total satelit di orbit:
di mana a adalah semi-major axis (sumbu semi-mayor) orbit elips. Nilai a dapat dihitung sebagai:
Substitusi nilai , , dan :
Setelah penyederhanaan:
Ini adalah energi mekanik total per satuan massa satelit (J/kg). Untuk menghitung energi total, kalikan dengan massa satelit m, yang tidak diketahui secara pasti dalam soal.
Langkah 3: Energi yang Diperlukan untuk Orbit Lingkaran
Untuk mengubah orbit elips menjadi orbit lingkaran dengan jari-jari , satelit harus memiliki kecepatan orbit lingkaran di periapsis. Kecepatan untuk orbit lingkaran adalah:
Substitusi nilai , , dan :
Jadi, untuk berada di orbit lingkaran di , satelit harus memiliki kecepatan . Kecepatan di periapsis sebelumnya adalah , sehingga satelit harus mengurangi kecepatannya. Energi kinetik yang perlu dikurangi adalah:
Substitusi dan :
Energi sebesar 3,43 MJ/kg harus dikurangi agar satelit masuk ke orbit lingkaran.
Langkah 4: Pengaruh Atmosfer Tipis pada Orbit
Jika planet memiliki atmosfer tipis di sekitar periapsis, satelit akan mengalami gaya gesekan saat melewati periapsis. Gesekan ini akan mengurangi kecepatan satelit sedikit demi sedikit setiap kali melewati periapsis. Akibatnya, orbit satelit akan mengalami penurunan ketinggian di apoapsis, menyebabkan orbit menjadi lebih elips dari waktu ke waktu. Jika gesekan terus berlanjut, orbit akhirnya akan menyusut secara keseluruhan, dan satelit dapat jatuh ke planet jika energi kinetiknya cukup banyak hilang.
Kesimpulan:
- Kecepatan satelit di titik apoapsis lebih rendah dibandingkan di periapsis karena prinsip kekekalan momentum sudut.
- Energi mekanik total satelit negatif, menunjukkan bahwa satelit terikat oleh gaya gravitasi planet.
- Satelit harus mengurangi kecepatannya agar masuk ke orbit lingkaran di periapsis, dan energi yang perlu dikurangi dihitung berdasarkan perubahan energi kinetik.
- Gesekan atmosfer tipis dapat menyebabkan orbit satelit semakin menyusut seiring waktu, yang dapat membuat satelit jatuh ke planet.