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Campo y potencial gravitatorio

Castilla y León · 2025 · Junio
Enunciado
La intensidad de campo gravitatorio en la superficie de cierto exoplaneta tiene un valor de 9,72 m⋅s−29{,}72\ \text{m}\cdot\text{s}^{-2}. Sabiendo que el radio del exoplaneta es 1,41{,}4 veces el radio de la Tierra, calcule:

a) (1 punto) El peso en dicho exoplaneta de un objeto cuyo peso en la Tierra es de 2500 N2500\ \text{N}.

b) (1 punto) La velocidad de escape desde la superficie del exoplaneta.

Datos (de la tabla de constantes del examen): g0=9,80 m s−2g_0 = 9{,}80\ \text{m}\,\text{s}^{-2}; RT=6,38⋅106 mR_T = 6{,}38\cdot 10^{6}\ \text{m}.
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Resultado
  Pp=2,48⋅103 N  \boxed{\;P_p = 2{,}48\cdot 10^{3}\ \text{N}\;}  ve=1,32⋅104 m/s  \boxed{\;v_e = 1{,}32\cdot 10^{4}\ \text{m/s}\;}
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Estrategia

La masa del objeto es la misma en los dos planetas; el peso es P=mgP = mg, así que los pesos están en la misma proporción que las gravedades de superficie.

La velocidad de escape sale de la conservación de la energía mecánica: la energía cinética de salida debe bastar para llegar al infinito con velocidad nula. Escrita con la gravedad de superficie, ve=2gpRpv_e = \sqrt{2g_pR_p}, y no hace falta calcular la masa del exoplaneta.
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Desarrollo

a) La masa del objeto se obtiene de su peso en la Tierra:m=PTg0=25009,80=255 kgm = \frac{P_T}{g_0} = \frac{2500}{9{,}80} = 255\ \text{kg}y su peso en el exoplaneta es:Pp=m gp=PT gpg0=2500⋅9,729,80=2,48⋅103 NP_p = m\,g_p = P_T\,\frac{g_p}{g_0} = 2500\cdot\frac{9{,}72}{9{,}80} = 2{,}48\cdot 10^{3}\ \text{N}Pesa algo menos que en la Tierra, porque la gravedad en la superficie es un poco menor.

b) Para escapar, el objeto debe llegar al infinito (Ep=0E_p = 0) con velocidad nula, es decir, con energía mecánica nula. Conservando la energía entre la superficie y el infinito:12 m ve2−G Mp mRp=0⟹ve=2 G MpRp\frac{1}{2}\,m\,v_e^2 - \frac{G\,M_p\,m}{R_p} = 0 \quad\Longrightarrow\quad v_e = \sqrt{\frac{2\,G\,M_p}{R_p}}Como en la superficie gp=GMp/Rp2g_p = G M_p/R_p^2, se tiene GMp=gpRp2G M_p = g_p R_p^2 y la expresión queda:ve=2 gp Rpv_e = \sqrt{2\,g_p\,R_p}con Rp=1,4 RT=1,4⋅6,38⋅106=8,93⋅106 mR_p = 1{,}4\,R_T = 1{,}4\cdot 6{,}38\cdot 10^{6} = 8{,}93\cdot 10^{6}\ \text{m}:ve=2⋅9,72⋅8,932⋅106=1,32⋅104 m/sv_e = \sqrt{2\cdot 9{,}72\cdot 8{,}932\cdot 10^{6}} = 1{,}32\cdot 10^{4}\ \text{m/s}Es mayor que la de la Tierra (11,2 km/s11{,}2\ \text{km/s}): con una gravedad en la superficie parecida, el radio es mayor, así que el potencial en la superficie, −gpRp-g_pR_p, es más negativo y hace falta más energía para escapar.
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Consejo

La velocidad de escape no depende de la masa del objeto: sale de igualar su energía cinética a la energía potencial que tiene que vencer, y la mm se va.

Cuando te den gg en la superficie y no la masa del planeta, usa GM=gR2GM = gR^2: te ahorras pasos y errores con las potencias de diez.
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