En un sistema con dos cuerpos donde el cuerpo más pequeño orbita alrededor del cuerpo más grande, ¿existe una relación determinista entre la masa del cuerpo más pequeño y la distancia / velocidad de su órbita?

Las órbitas en un sistema de dos cuerpos son, de hecho, órbitas alrededor del centro de masa común. Si un cuerpo es mucho más grande que el otro, entonces el centro de masa estará muy cerca del centro de masa de ese cuerpo y no se moverá mucho si cambia un poco la masa del otro cuerpo. Si las masas de los dos cuerpos son comparables, entonces jugar con la masa de uno cambiará la posición del centro de masa común y, por lo tanto, las órbitas, considerablemente.

Por lo que vale, el centro de masa del sistema Tierra-Luna está bien dentro de la Tierra, mientras que el baricentro del Sistema Solar a veces está dentro del Sol, a veces tan lejos del Sol como aproximadamente un diámetro solar (que todavía está bastante cerca) , pero fuera del sol). Duplicar la masa de Júpiter tendría un efecto pequeño pero ciertamente significativo y observable en todas las órbitas planetarias.

Si el cuerpo más pequeño es significativamente más pequeño (por ejemplo, un satélite alrededor de la Tierra), entonces no hay diferencia.

Es cierto que la fuerza gravitacional entre los dos cuerpos aumentará proporcionalmente a la masa añadida. Pero la fuerza requerida para acelerar el objeto también aumentará proporcionalmente (porque los objetos más masivos son más difíciles de mover).

Los dos efectos se cancelan y la órbita permanece igual.

Pero a medida que el objeto en órbita se vuelve más y más masivo, el centro de la órbita se acercará más y más al objeto en crecimiento. Finalmente, los dos objetos se convierten en un sistema doble que orbita un centro común.

Lo que quieres es la formulación newtoniana de la tercera ley de Kepler:

http://www.austincc.edu/jheath/S

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