FísicaFácil2 pts

Campo y potencial gravitatorio

Extremadura · 2017 · Junio · Opción B
Enunciado
Dos masas de 2⋅104 kg2\cdot 10^{4}\ \text{kg} y 5⋅104 kg5\cdot 10^{4}\ \text{kg} están separadas una distancia de 88 metros. Calcula:

a) La fuerza de atracción entre ambas masas (Calificación, 1 punto).

b) El valor de la intensidad de campo gravitatorio en un punto situado a 6 m6\ \text{m} de distancia de la segunda masa y a 14 m14\ \text{m} de la primera, dentro de la recta que las une (Calificación, 1 punto).

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
  F=1,04⋅10−3 N  (atractiva)  \boxed{\;F = 1{,}04\cdot 10^{-3}\ \text{N}\ \ \text{(atractiva)}\;}  gP=9,94⋅10−8 N/kg, dirigido hacia las dos masas  \boxed{\;g_P = 9{,}94\cdot 10^{-8}\ \text{N/kg},\ \text{dirigido hacia las dos masas}\;}
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Estrategia

El apartado a) es la ley de gravitación universal aplicada a las dos masas.

En b) lo primero es situar el punto: como 14−6=814 - 6 = 8 m, está sobre la recta que une las masas pero fuera del segmento, al otro lado de la segunda masa. Desde ahí, las dos masas quedan del mismo lado, así que sus dos campos (que siempre apuntan hacia la masa que los crea) tienen la misma dirección y el mismo sentido: los módulos se suman.
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Desarrollo

Tomamos un eje xx con la primera masa, m1=2⋅104 kgm_1 = 2\cdot 10^{4}\ \text{kg}, en el origen y la segunda, m2=5⋅104 kgm_2 = 5\cdot 10^{4}\ \text{kg}, en x=8 mx = 8\ \text{m}.

a) Por la ley de gravitación universal:F=G m1 m2d2=6,67⋅10−11⋅2⋅104⋅5⋅10482=1,04⋅10−3 NF = \frac{G\,m_1\,m_2}{d^2} = \frac{6{,}67\cdot 10^{-11}\cdot 2\cdot 10^{4}\cdot 5\cdot 10^{4}}{8^2} = 1{,}04\cdot 10^{-3}\ \text{N}Es una fuerza atractiva: cada masa tira de la otra hacia sí, con el mismo módulo (acción y reacción). Sobre m1m_1 apunta hacia +x+x y sobre m2m_2 hacia −x-x.

b) El punto PP está a 14 m14\ \text{m} de m1m_1 y a 6 m6\ \text{m} de m2m_2: es xP=14 mx_P = 14\ \text{m}, a la derecha de m2m_2. Las dos masas quedan a su izquierda, así que los dos campos en PP apuntan hacia −x-x.

Campo de cada masa en PP:g1=G m1r12=6,67⋅10−11⋅2⋅104142=6,81⋅10−9 N/kgg_1 = \frac{G\,m_1}{r_1^2} = \frac{6{,}67\cdot 10^{-11}\cdot 2\cdot 10^{4}}{14^2} = 6{,}81\cdot 10^{-9}\ \text{N/kg}g2=G m2r22=6,67⋅10−11⋅5⋅10462=9,26⋅10−8 N/kgg_2 = \frac{G\,m_2}{r_2^2} = \frac{6{,}67\cdot 10^{-11}\cdot 5\cdot 10^{4}}{6^2} = 9{,}26\cdot 10^{-8}\ \text{N/kg}Por el principio de superposición, como tienen el mismo sentido, se suman:g⃗P=−(g1+g2) i⃗=−(6,81⋅10−9+9,26⋅10−8)i⃗=−9,94⋅10−8 i⃗  N/kg\vec g_P = -(g_1 + g_2)\,\vec i = -\left(6{,}81\cdot 10^{-9} + 9{,}26\cdot 10^{-8}\right)\vec i = -9{,}94\cdot 10^{-8}\,\vec i\ \ \text{N/kg}Su módulo es 9,94⋅10−8 N/kg9{,}94\cdot 10^{-8}\ \text{N/kg} y apunta hacia las masas. Casi todo lo aporta m2m_2, que es mayor y está más cerca.
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Consejo

Antes de sumar campos, dibuja el punto. Si las distancias a las dos masas suman la separación, el punto está entre ellas y los campos se restan; si su diferencia es la separación, está fuera y los campos se suman.

Los campos gravitatorios siempre apuntan hacia la masa que los crea: con eso decides el sentido sin fórmulas vectoriales complicadas.
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