Campo gravitatorio
Una sola ley para la manzana que cae y la Luna que no se escapa: toda masa atrae a toda masa. De esa idea salen el campo que rodea a un planeta, la energía que cuesta escapar de él y las órbitas de los satélites que te dan el GPS.
Campo y potencial gravitatorio
43 problemas en el bancoLa idea. Una masa modifica el espacio a su alrededor. Esa modificación se describe con dos magnitudes: el campo $\vec g$, que es un vector y dice qué fuerza sentiría una masa colocada ahí; y el potencial $V$, que es un escalar y dice cuánta energía tendría.
Si vienes del bloque eléctrico, todo te sonará. Con una diferencia enorme: aquí no hay «masas negativas». La gravedad siempre atrae, y por eso el potencial gravitatorio es siempre negativo.
La ley de gravitación universal
Todo parte de la ley de Newton: dos masas puntuales $M$ y $m$ separadas una distancia $r$ se atraen con una fuerza dirigida según la recta que las une, proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia:
Tres ideas que se preguntan en teoría: la fuerza es siempre atractiva; las dos masas forman una pareja de acción y reacción (la Tierra tira de ti con la misma fuerza que tú de ella, aunque solo tú notas la aceleración); y con varias masas se aplica el principio de superposición: la fuerza total es la suma vectorial de las que haría cada masa por separado. Dividiendo entre la masa que la sufre sale el campo, $\vec g = \vec F/m = -G\,\dfrac{M}{r^2}\,\vec u_r$: la fuerza que sentiría cada kilogramo colocado en ese punto.
Las dos magnitudes, una al lado de la otra
| Campo $\vec g$ | Potencial $V$ | |
|---|---|---|
| Qué es | Vector | Escalar |
| Se calcula | $|\vec g| = G\dfrac{M}{r^2}$, apuntando hacia la masa | $V = -G\dfrac{M}{r}$ |
| Se suma | Vectorialmente (por componentes) | Sumando escalares, todos negativos |
| Sobre una masa $m$ | $\vec F = m\vec g$ | $E_p = mV$ |
| ¿Puede ser cero? | Sí: entre dos masas hay un punto donde se cancela | No (salvo en el infinito): es suma de términos negativos |
Líneas de campo y superficies equipotenciales
Para dibujar el campo se usan dos familias de curvas que se cortan siempre en ángulo recto:
- Líneas de campo: en cada punto son tangentes a $\vec g$ y llevan su sentido. Alrededor de una masa puntual son rectas radiales que entran en ella: vienen del infinito y mueren en las masas, que son «sumideros» (no hay «fuentes», porque no hay masas negativas). Donde están más juntas, el campo es más intenso.
- Superficies equipotenciales: los puntos con el mismo potencial $V$. Para una masa puntual o un planeta esférico son esferas concéntricas; dibujadas a saltos iguales de $V$, quedan cada vez más separadas al alejarse. Son perpendiculares a las líneas de campo, y $\vec g$ apunta hacia donde el potencial disminuye.
La gravedad en la superficie de un planeta
Particulariza el campo en $r = R$ (el radio del planeta) y tienes la famosa $g$:
Los problemas de «gravedad en otros planetas» casi nunca piden números raros: piden razonar con proporciones. Si un planeta tiene la mitad de radio que la Tierra y la misma densidad, ¿cuánto vale su $g$? Escribe $g$ en función de lo que te den (masa, radio, densidad) y compara.
Cuando entra la densidad, escribe la masa de la esfera homogénea, $M = \rho\cdot\frac{4}{3}\pi R^3$, y sustitúyela:
¿Y si en vez de subir se baja? A una profundidad $d$ dentro de un planeta homogéneo, la capa que queda por encima no ejerce campo neto y solo atrae la esfera interior, así que $g$ disminuye linealmente hasta anularse en el centro: $g = g_0\,\dfrac{R-d}{R}$. Fuera del planeta el campo cae como $1/r^2$; dentro, es proporcional a $r$.
En el punto entre dos masas donde el campo gravitatorio total se anula, ¿qué vale el potencial gravitatorio?
Míralo
Dos masas puntuales $m_1 = 10\,\text{kg}$ y $m_2 = 40\,\text{kg}$ están separadas $6\,\text{m}$. Halla el punto del segmento que las une donde el campo gravitatorio se anula, y el valor del potencial gravitatorio en ese punto.
Dato: $G = 6{,}67\cdot 10^{-11}\,\text{N}\,\text{m}^2\,\text{kg}^{-2}$.
Ver la solución paso a paso
El punto de campo nulo
Solo puede estar entre las masas (fuera, los dos campos apuntan en el mismo sentido). Llamando $d_1$ a la distancia a $m_1$ y $d_2$ a la distancia a $m_2$:
Con $d_1 + d_2 = 6$ y $d_2 = 2d_1$, sale $d_1 = 2\,\text{m}$: el punto está a 2 m de la masa pequeña (y a 4 m de la grande). Tiene sentido: para que la masa cuádruple «empate», hay que acercarse a la pequeña.
El potencial en ese punto
Es un escalar: se suma sin descomponer nada, cada término con su signo menos:
Errores frecuentes
Recogidos de los consejos de los problemas de este apartado.
- Olvidar el signo menos del potencial, o «quitárselo» al final porque queda raro. El potencial gravitatorio es siempre negativo.
- Sumar los campos de dos masas como números cuando los vectores no están alineados. El campo se suma por componentes.
- Confundir $g$ (el campo, que depende del planeta y del punto) con $G$ (la constante universal).
- Usar $r^2$ en el potencial o $r$ sin cuadrado en el campo. Campo con cuadrado, potencial sin él.
- En comparaciones entre planetas, mezclar radios en km con datos en unidades del SI.
Energía y conservación
33 problemas en el bancoLa idea. La gravedad es una fuerza conservativa: el trabajo que hace no depende del camino, solo de dónde empiezas y dónde acabas. Eso permite olvidarse de las fuerzas y hacer contabilidad de energía — el método que resuelve la mayoría de los problemas de este apartado.
La única contabilidad que rompe el balance es el rozamiento: se lleva energía mecánica y no la devuelve.
Trabajo y energía: las tres piezas del balance
El trabajo de una fuerza. Si una fuerza constante $\vec F$ actúa mientras el cuerpo se desplaza una distancia $d$ en línea recta:
El signo lo pone el ángulo: positivo si la fuerza ayuda al movimiento ($\alpha < 90°$), negativo si se opone (el rozamiento, con $\alpha = 180°$: $W_{roz} = -\mu N d$) y nulo si es perpendicular a él (la normal sobre una rampa, o la gravedad sobre un satélite en órbita circular).
El trabajo del campo. La gravedad es conservativa, como la fuerza elástica o la eléctrica (el rozamiento no lo es): su trabajo no depende del camino, es nulo en una trayectoria cerrada y se calcula restando energías potenciales:
Si sale negativo (al alejar la masa), el campo no lo hace espontáneamente: una fuerza externa tiene que aportar, como mínimo (llevándola sin ganar velocidad), $W_{ext} = +\Delta E_p$. En la PAU se pide a menudo interpretar ese signo: «¿quién realiza el trabajo?».
El teorema de las fuerzas vivas. El trabajo de todas las fuerzas que actúan (el de la resultante) es la variación de energía cinética, haya o no rozamiento:
¿$mgh$ o $-GMm/r$?
| $E_p = mgh$ | $E_p = -\dfrac{GMm}{r}$ | |
|---|---|---|
| Vale cuando… | La altura es pequeña frente al radio ($h \ll R$): $g$ casi constante | Siempre |
| El cero está… | Donde tú lo pongas (el suelo, normalmente) | En el infinito |
| Problemas típicos | Planos inclinados, caídas, lanzamientos cortos | Satélites, velocidad de escape, cambios de órbita |
Caída libre y lanzamiento vertical
Cerca de la superficie, con $g$ constante y sin rozamiento con el aire, un cuerpo que sube o baja en vertical lleva un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado con aceleración $-g$ (tomando positivo hacia arriba). Todos los cuerpos caen con la misma aceleración, sea cual sea su masa:
Si piden velocidades o alturas, suele ser más corto ir por energía; si piden tiempos, hacen falta las ecuaciones del movimiento.
La velocidad de escape
¿Con qué velocidad mínima hay que lanzar algo para que no vuelva? Se responde con pura conservación: que llegue al infinito ($E_p = 0$) justo sin velocidad ($E_c = 0$):
Para escapar del campo gravitatorio terrestre, un proyectil de 2000 kg necesita, respecto a uno de 1000 kg, una velocidad de lanzamiento…
Si piden fuerzas o aceleraciones: la segunda ley de Newton
El balance de energía da velocidades y distancias, pero no aceleraciones ni fuerzas. Para eso está la segunda ley de Newton: la resultante de las fuerzas es la masa por la aceleración, $\sum\vec F = m\,\vec a$. Si el cuerpo está en reposo o se mueve con velocidad constante, está en equilibrio: $\sum\vec F = 0$.
En un plano inclinado se toman ejes paralelo y perpendicular a la rampa y se descompone el peso: $mg\,\text{sen}\,\alpha$ a lo largo de la rampa y $mg\cos\alpha$ contra ella. En la dirección perpendicular no hay movimiento, así que $N = mg\cos\alpha$, y el rozamiento vale $F_r = \mu N$, siempre opuesto al movimiento. En la dirección de la rampa:
Con los datos del ejemplo de abajo, al subir $a = -7{,}45\ \text{m}\,\text{s}^{-2}$, y $d = v_0^2/(2|a|)$ da los mismos $2{,}42\ \text{m}$ que el balance de energía: los dos caminos son equivalentes.
Míralo: el balance de energía en acción
Un bloque de $2\,\text{kg}$ se lanza hacia arriba por una rampa rugosa ($\mu = 0{,}3$) que forma $30°$ con la horizontal, con velocidad inicial $v_0 = 6\,\text{m}\,\text{s}^{-1}$. Calcula la altura máxima que alcanza.
Dato: $g = 9{,}8\,\text{m}\,\text{s}^{-2}$.
Ver la solución paso a paso
El balance, con el rozamiento dentro
Entre el punto de salida y el punto más alto (donde $v = 0$), la energía cinética inicial se reparte entre la potencial ganada y el trabajo del rozamiento a lo largo de la distancia $d$ recorrida sobre la rampa:
Ojo a la normal: en un plano inclinado es $N = mg\cos\alpha$, no $mg$. Despejando $d$:
De distancia sobre la rampa a altura
Errores frecuentes
Recogidos de los consejos de los 33 problemas de este apartado.
- Aplicar «la energía mecánica se conserva» habiendo rozamiento. Con rozamiento el balance es $E_{m,f} = E_{m,i} + W_{roz}$, y ese trabajo es negativo.
- Usar $mgh$ en problemas de satélites o escape, donde $g$ ya no es constante.
- Poner la normal igual a $mg$ en un plano inclinado. Es $mg\cos\alpha$.
- Confundir la distancia recorrida sobre la rampa con la altura ganada.
- Creer que la velocidad de escape depende de la masa lanzada, o confundirla con la velocidad orbital.
Satélites y órbitas
26 problemas en el bancoLa idea. Un satélite no «flota»: está cayendo todo el tiempo. Lo que pasa es que su velocidad lateral hace que la caída nunca lo lleve al suelo. En una órbita circular, la gravedad es la fuerza centrípeta — y de esa igualdad sale todo el apartado.
Las leyes de Kepler y el momento angular
Kepler las dedujo de observaciones astronómicas antes de que Newton explicase por qué se cumplen:
- De las órbitas: los planetas describen elipses con el Sol en uno de los focos.
- De las áreas: la recta Sol-planeta barre áreas iguales en tiempos iguales. Por eso el planeta va más deprisa en el perihelio (el punto más cercano) que en el afelio (el más lejano).
- De los periodos: $T^2 = k\,r^3$, con $r$ el semieje mayor (el radio, si la órbita es circular) y $k = 4\pi^2/(GM)$, la misma para todo lo que orbita alrededor del mismo astro.
La segunda ley es la conservación del momento angular, $\vec L = \vec r\times m\vec v$. La fuerza gravitatoria es central (paralela a $\vec r$), así que su momento respecto al astro es nulo y $\vec L$ no cambia: ni en módulo, ni en dirección (la órbita es plana), ni en sentido (el planeta no invierte su giro). En el perihelio y el afelio la velocidad es perpendicular al radio, $L = m\,r\,v$, y queda:
Las tres energías de una órbita
| Magnitud | Expresión | Detalle que cae en examen |
|---|---|---|
| Cinética | $E_c = \dfrac{GMm}{2r}$ | Positiva; sale de sustituir $v$ orbital |
| Potencial | $E_p = -\dfrac{GMm}{r}$ | Negativa y el doble de grande que $E_c$ |
| Mecánica | $E_m = -\dfrac{GMm}{2r}$ | Negativa: el satélite está ligado |
¿Por qué la energía mecánica orbital es negativa?
Suma las dos:
Negativa significa ligado: para llevar el satélite al infinito (donde $E_m = 0$) hay que aportarle energía. Un objeto con energía mecánica positiva no orbita: escapa. Por eso «subir» un satélite a una órbita más alta cuesta energía, aunque en la órbita alta vaya más despacio.
Poner un satélite en órbita y cambiarlo de órbita
Como en cada órbita circular la energía mecánica vale $-GMm/(2r)$, la energía que hay que aportar es siempre la energía mecánica final menos la inicial. Para ponerlo en órbita desde la superficie, donde (despreciando la rotación del planeta) solo tiene energía potencial:
Y para pasarlo de una órbita de radio $r_1$ a otra de radio $r_2$:
Dos satélites de masas $m$ y $3m$ describen la misma órbita circular alrededor de la Tierra. ¿Cuál se mueve más deprisa?
Míralo
Un satélite de $1000\,\text{kg}$ describe una órbita circular a $400\,\text{km}$ de altura sobre la superficie terrestre. Calcula su velocidad orbital y su periodo.
Datos: $G = 6{,}67\cdot 10^{-11}\,\text{N}\,\text{m}^2\,\text{kg}^{-2}$; $M_T = 5{,}97\cdot 10^{24}\,\text{kg}$; $R_T = 6371\,\text{km}$.
Ver la solución paso a paso
Primero, el radio de verdad
Todo a metros antes de tocar ninguna fórmula.
La velocidad orbital
Unos $7{,}7\ \text{km/s}$ — nota que la masa del satélite no se ha usado.
El periodo
Hora y media por vuelta: por eso los astronautas de la ISS ven dieciséis amaneceres al día.
El satélite geoestacionario
Es el que está siempre sobre el mismo punto del ecuador porque gira a la vez que la Tierra. Eso exige tres condiciones: órbita circular y ecuatorial, recorrida en el mismo sentido en que rota la Tierra, y periodo de un día, $T = 24\ \text{h} = 86\,400\ \text{s}$ (así se toma en los problemas). Con el periodo fijado, la 3.ª ley de Kepler fija el radio: solo hay una órbita geoestacionaria.
Errores frecuentes
Recogidos de los consejos de los 26 problemas de este apartado.
- Usar la altura $h$ en lugar de $r = R + h$. El error número uno del bloque.
- Olvidar el 2 del denominador en $E_m = -GMm/(2r)$, o darla positiva.
- Aplicar la 3.ª ley de Kepler mezclando km y m, o comparando órbitas con datos en unidades distintas.
- Confundir la velocidad orbital ($\sqrt{GM/r}$) con la de escape ($\sqrt{2GM/R}$) — se diferencian en un factor $\sqrt 2$ y en dónde se evalúan.
- Creer que un satélite más masivo orbita más despacio (la masa se cancela).
El bloque de un vistazo
Si tuvieras que quedarte con seis frases del bloque entero, serían éstas:
- El campo $\vec g$ es un vector que apunta hacia la masa y se suma por componentes; el potencial es un escalar siempre negativo que se suma sin descomponer.
- Entre dos masas hay un punto de campo nulo (más cerca de la pequeña), pero el potencial no se anula nunca.
- $mgh$ solo vale cerca de la superficie; para órbitas y escapes, $E_p = -GMm/r$ con el cero en el infinito.
- La velocidad de escape, $\sqrt{2GM/R}$, no depende de la masa lanzada.
- En órbita circular la gravedad es la centrípeta: $v = \sqrt{GM/r}$, $T^2 \propto r^3$, y siempre con $r = R + h$.
- La energía mecánica orbital es negativa, $-GMm/(2r)$: estar ligado significa exactamente eso.
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