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Campo y potencial gravitatorio

Castilla y León · 2025 · Julio
Enunciado
Razone si la siguiente afirmación es verdadera o falsa: «Las líneas del campo gravitatorio son tangentes en cada punto a las superficies equipotenciales» (1 punto)
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Resultado
Falsa: las líneas de campo gravitatorio son perpendiculares a las superficies equipotenciales y apuntan hacia potenciales decrecientes.
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Estrategia

Las líneas de campo son tangentes en cada punto al vector g⃗\vec g. Una superficie equipotencial es aquella en la que VV toma el mismo valor, así que moverse sobre ella no cuesta trabajo. Si el trabajo del campo en un desplazamiento sobre la superficie es nulo, el campo tiene que ser perpendicular a ese desplazamiento: las líneas de campo cortan perpendicularmente a las equipotenciales.
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Desarrollo

Falsa. Las líneas de campo son perpendiculares (no tangentes) a las superficies equipotenciales en cada punto.

Razonamiento. El trabajo que realiza el campo gravitatorio sobre una masa mm que se desplaza de AA a BB es:WA→B=−ΔEp=−m (VB−VA)W_{A\to B} = -\Delta E_p = -m\,(V_B - V_A)Si AA y BB están sobre la misma superficie equipotencial, VA=VBV_A = V_B y el trabajo es nulo. Para un desplazamiento elemental dr⃗d\vec r contenido en la superficie:dW=m g⃗⋅dr⃗=m g drcos⁡α=0⟹α=90∘dW = m\,\vec g\cdot d\vec r = m\,g\,dr\cos\alpha = 0\quad\Longrightarrow\quad \alpha = 90^\circComo esto vale para cualquier desplazamiento dentro de la superficie, el vector g⃗\vec g, y con él la línea de campo, que es tangente a g⃗\vec g, es perpendicular a la equipotencial en cada punto.

Ejemplo: para una masa puntual MM, el potencial es V=−GM/rV = -GM/r, así que las equipotenciales son esferas centradas en MM; las líneas de campo son radiales y apuntan hacia MM, perpendiculares a esas esferas. Además, g⃗\vec g apunta en el sentido en que disminuye el potencial.

Si las líneas fueran tangentes a las equipotenciales, el campo haría trabajo al mover una masa sobre una superficie de potencial constante, lo que contradice W=−m ΔVW = -m\,\Delta V.
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Consejo

No basta con decir «son perpendiculares»: el corrector quiere el porqué. La clave es que sobre una equipotencial ΔV=0\Delta V = 0, luego W=0W = 0, y un producto escalar nulo exige 90∘90^\circ.

Un ejemplo (las esferas alrededor de una masa puntual) remata la respuesta.
Paso 1 de 3
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