FísicaFácil2 pts

Campo y potencial gravitatorio

Extremadura · 2023 · Julio
Enunciado
El peso de un objeto en la superficie de la Tierra es de 360 N360\ \text{N}. Cuando el objeto se encuentre a una altura de 500 km500\ \text{km} sobre la superficie de la Tierra determine:

a) la intensidad de campo gravitatorio y

b) dicho peso.

Datos: G=6,67⋅10−11 N m2/kg2G = 6{,}67\cdot 10^{-11}\ \text{N}\,\text{m}^2/\text{kg}^2, masa de la Tierra =5,972⋅1024 kg= 5{,}972\cdot 10^{24}\ \text{kg}; radio de la Tierra =6370 km= 6370\ \text{km}. (Calificación de cada apartado, 1 punto).
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Resultado
  g=8,44 N/kg  (hacia el centro de la Tierra)  \boxed{\;g = 8{,}44\ \text{N/kg}\ \ (\text{hacia el centro de la Tierra})\;}  P=310 N  \boxed{\;P = 310\ \text{N}\;}
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Estrategia

El campo gravitatorio de la Tierra a una distancia rr de su centro es g=GMT/r2g = GM_T/r^2, con r=RT+hr = R_T + h. El peso es P=m gP = m\,g: la masa del objeto no cambia con la altura, así que se obtiene de su peso en la superficie, m=P0/g0m = P_0/g_0. Más rápido aún: el peso cambia en la misma proporción que gg, P=P0 RT2/(RT+h)2P = P_0\,R_T^2/(R_T + h)^2.
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Desarrollo

a) Distancia al centro de la Tierra:r=RT+h=6,37⋅106+5,00⋅105=6,87⋅106 mr = R_T + h = 6{,}37\cdot 10^{6} + 5{,}00\cdot 10^{5} = 6{,}87\cdot 10^{6}\ \text{m}Intensidad del campo gravitatorio a esa altura:g=G MTr2=6,67⋅10−11⋅5,972⋅1024(6,87⋅106)2=8,44 N/kgg = \frac{G\,M_T}{r^2} = \frac{6{,}67\cdot 10^{-11}\cdot 5{,}972\cdot 10^{24}}{\left(6{,}87\cdot 10^{6}\right)^2} = 8{,}44\ \text{N/kg}Dirigida hacia el centro de la Tierra. Para comparar, en la superficie:g0=G MTRT2=6,67⋅10−11⋅5,972⋅1024(6,37⋅106)2=9,82 N/kgg_0 = \frac{G\,M_T}{R_T^2} = \frac{6{,}67\cdot 10^{-11}\cdot 5{,}972\cdot 10^{24}}{\left(6{,}37\cdot 10^{6}\right)^2} = 9{,}82\ \text{N/kg}b) La masa del objeto, a partir de su peso en la superficie:m=P0g0=3609,817=36,7 kgm = \frac{P_0}{g_0} = \frac{360}{9{,}817} = 36{,}7\ \text{kg}Su peso a 500 km500\ \text{km} de altura:P=m g=36,67⋅8,440=310 NP = m\,g = 36{,}67\cdot 8{,}440 = 310\ \text{N}Se llega a lo mismo sin calcular la masa, porque P/P0=g/g0=RT2/r2P/P_0 = g/g_0 = R_T^2/r^2:P=P0 RT2(RT+h)2=360⋅(63706870)2=310 NP = P_0\,\frac{R_T^2}{(R_T + h)^2} = 360\cdot\left(\frac{6370}{6870}\right)^2 = 310\ \text{N}A 500 km500\ \text{km} el objeto pesa todavía un 86 % de lo que pesa en el suelo: la gravedad no desaparece a esa altura.
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Consejo

La distancia que va en g=GM/r2g = GM/r^2 es al centro de la Tierra: suma el radio a la altura antes de elevar al cuadrado. Usar solo los 500 km da un valor absurdo.

Con el cociente P=P0 (RT/r)2P = P_0\,(R_T/r)^2 te ahorras GG y la masa, y puedes dejar los km.
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