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Campo y potencial gravitatorio

Castilla y León · 2023 · Julio
Enunciado
En un cierto punto AA la intensidad de la gravedad es la mitad que en la superficie de la Tierra, mientras que en otro punto BB es la cuarta parte. Determine la distancia de ambos puntos al centro de la Tierra y la velocidad mínima que debe llevar un objeto en AA para poder alcanzar el punto BB.

Datos (de la tabla de constantes del examen): G=6,67⋅10−11 N m2 kg−2G = 6{,}67\cdot 10^{-11}\ \text{N}\,\text{m}^2\,\text{kg}^{-2}; RT=6,37⋅106 mR_T = 6{,}37\cdot 10^{6}\ \text{m}; MT=5,98⋅1024 kgM_T = 5{,}98\cdot 10^{24}\ \text{kg}.
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Resultado
  rA=2 RT=9,01⋅106 mrB=2 RT=1,27⋅107 m  \boxed{\;r_A = \sqrt{2}\,R_T = 9{,}01\cdot 10^{6}\ \text{m}\qquad r_B = 2\,R_T = 1{,}27\cdot 10^{7}\ \text{m}\;}  vA,mıˊn=5,09⋅103 m/s  \boxed{\;v_{A,\text{mín}} = 5{,}09\cdot 10^{3}\ \text{m/s}\;}
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Estrategia

Fuera de la Tierra, g=GMT/r2g = GM_T/r^2 disminuye con el cuadrado de la distancia al centro: comparando con g0=GMT/RT2g_0 = GM_T/R_T^2 se obtienen las dos distancias sin necesidad de calcular gg.

La velocidad mínima en AA es la que permite llegar a BB con velocidad nula. Como la gravedad es conservativa, se aplica la conservación de la energía mecánica entre AA y BB con Ep=−GMTm/rE_p = -GM_Tm/r.
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Desarrollo

Distancias al centro. Dividiendo el campo a una distancia rr entre el de la superficie:gg0=GMT/r2GMT/RT2=RT2r2⟹r=RTg0g\frac{g}{g_0} = \frac{GM_T/r^2}{GM_T/R_T^2} = \frac{R_T^2}{r^2}\quad\Longrightarrow\quad r = R_T\sqrt{\frac{g_0}{g}}Punto AA (gA=g0/2g_A = g_0/2):rA=2 RT=2⋅6,37⋅106=9,01⋅106 mr_A = \sqrt{2}\,R_T = \sqrt{2}\cdot 6{,}37\cdot 10^{6} = 9{,}01\cdot 10^{6}\ \text{m}Punto BB (gB=g0/4g_B = g_0/4):rB=4 RT=2⋅6,37⋅106=1,27⋅107 mr_B = \sqrt{4}\,R_T = 2\cdot 6{,}37\cdot 10^{6} = 1{,}27\cdot 10^{7}\ \text{m}Velocidad mínima. El objeto se lanza desde AA alejándose de la Tierra y llega justo a BB con vB=0v_B = 0. Conservación de la energía mecánica (solo actúa la gravedad):12 m vA2−GMTmrA=0−GMTmrB\frac{1}{2}\,m\,v_A^2 - \frac{GM_Tm}{r_A} = 0 - \frac{GM_Tm}{r_B}La masa del objeto se simplifica:vA=2 GMT(1rA−1rB)v_A = \sqrt{2\,GM_T\left(\frac{1}{r_A} - \frac{1}{r_B}\right)}Con GMT=6,67⋅10−11⋅5,98⋅1024=3,99⋅1014 N m2 kg−1GM_T = 6{,}67\cdot 10^{-11}\cdot 5{,}98\cdot 10^{24} = 3{,}99\cdot 10^{14}\ \text{N}\,\text{m}^2\,\text{kg}^{-1}:vA=2⋅3,99⋅1014(19,01⋅106−11,274⋅107)=2,59⋅107=5,09⋅103 m/sv_A = \sqrt{2\cdot 3{,}99\cdot 10^{14}\left(\frac{1}{9{,}01\cdot 10^{6}} - \frac{1}{1{,}274\cdot 10^{7}}\right)} = \sqrt{2{,}59\cdot 10^{7}} = 5{,}09\cdot 10^{3}\ \text{m/s}Es la velocidad mínima: con menos, el objeto se para antes de llegar a BB y vuelve a caer. (Con GMT=g0RT2GM_T = g_0R_T^2 sale prácticamente lo mismo, 5,09⋅103 m/s5{,}09\cdot 10^{3}\ \text{m/s}.)
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Consejo

«La mitad de la gravedad» no significa «el doble de distancia»: como gg va con 1/r21/r^2, la distancia crece con la raíz, r=2 RTr = \sqrt{2}\,R_T. Y son distancias al centro, no alturas.

No uses Ep=mghE_p = mgh: entre AA y BB la gravedad cambia mucho; hay que usar −GMTm/r-GM_Tm/r.
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