FísicaMedio2 pts

Campo y potencial gravitatorio

Extremadura · 2017 · Julio · Opción B
Enunciado
En cada uno de los vértices de un triángulo equilátero de 6 m6\ \text{m} de lado, se encuentra una masa de 120 kg120\ \text{kg}. Calcule la intensidad de campo gravitatorio en el punto medio de uno de los lados.

Datos: G=6,67⋅10−11 N m2/kg2G = 6{,}67\cdot 10^{-11}\ \text{N}\,\text{m}^2/\text{kg}^2.
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Resultado
  g⃗M=2,96⋅10−10 j⃗  N/kg  (hacia el veˊrtice opuesto)  \boxed{\;\vec g_M = 2{,}96\cdot 10^{-10}\,\vec j\ \ \text{N/kg}\ \ \text{(hacia el vértice opuesto)}\;}
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Estrategia

El campo total es la suma vectorial de los campos de las tres masas (principio de superposición). Cada campo apunta hacia la masa que lo crea. En el punto medio de un lado, las dos masas de ese lado están a la misma distancia y en sentidos opuestos: sus campos se anulan. Solo queda el de la masa del vértice opuesto, que está a una distancia igual a la altura del triángulo.
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Desarrollo

Colocamos el triángulo en unos ejes: dos masas en A(−3,0) mA(-3, 0)\ \text{m} y B(3,0) mB(3, 0)\ \text{m}, y la tercera en el vértice superior CC. El punto medio del lado ABAB es el origen, M(0,0)M(0, 0).

La altura del triángulo equilátero de lado L=6 mL = 6\ \text{m} es:h=L2−(L2)2=32 L=5,196 mC(0; 5,196) mh = \sqrt{L^2 - \left(\frac{L}{2}\right)^2} = \frac{\sqrt 3}{2}\,L = 5{,}196\ \text{m}\qquad C\left(0;\ 5{,}196\right)\ \text{m}Campos de AA y BB. Las dos masas están a 3 m3\ \text{m} de MM y tienen el mismo valor, así que sus campos tienen el mismo módulo:gA=gB=G m(L/2)2=6,67⋅10−11⋅12032=8,89⋅10−10 N/kgg_A = g_B = \frac{G\,m}{(L/2)^2} = \frac{6{,}67\cdot 10^{-11}\cdot 120}{3^2} = 8{,}89\cdot 10^{-10}\ \text{N/kg}Pero g⃗A\vec g_A apunta hacia AA (−i⃗-\vec i) y g⃗B\vec g_B hacia BB (+i⃗+\vec i): se anulan.g⃗A+g⃗B=−8,89⋅10−10 i⃗+8,89⋅10−10 i⃗=0⃗\vec g_A + \vec g_B = -8{,}89\cdot 10^{-10}\,\vec i + 8{,}89\cdot 10^{-10}\,\vec i = \vec 0Campo de CC. La masa del vértice opuesto está a la distancia hh de MM, con h2=27 m2h^2 = 27\ \text{m}^2, y su campo apunta hacia ella (+j⃗+\vec j):gC=G mh2=6,67⋅10−11⋅12027=2,96⋅10−10 N/kgg_C = \frac{G\,m}{h^2} = \frac{6{,}67\cdot 10^{-11}\cdot 120}{27} = 2{,}96\cdot 10^{-10}\ \text{N/kg}Campo total en MM:g⃗M=g⃗A+g⃗B+g⃗C=2,96⋅10−10 j⃗  N/kg\vec g_M = \vec g_A + \vec g_B + \vec g_C = 2{,}96\cdot 10^{-10}\,\vec j\ \ \text{N/kg}Su módulo es 2,96⋅10−10 N/kg2{,}96\cdot 10^{-10}\ \text{N/kg} y está dirigido desde el punto medio del lado hacia el vértice opuesto, a lo largo de la altura del triángulo.
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Consejo

Antes de calcular, dibuja los vectores: muchas veces la simetría anula campos sin hacer ninguna cuenta. Aquí las dos masas del lado se cancelan y solo cuenta la tercera.

Ojo con la distancia de la tercera masa: no es el lado (6 m) sino la altura, 32L\frac{\sqrt3}{2}L. Usar h2=27 m2h^2 = 27\ \text{m}^2 evita redondear la raíz.
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