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Campo gravitatorio
Problema
2016 · Ordinaria · Titular
3A-a
Examen

Dos partículas de masas m1=3 kgm_1 = 3 \text{ kg} y m2=5 kgm_2 = 5 \text{ kg} se encuentran situadas en los puntos P1(2,1) mP_1(-2,1) \text{ m} y P2(3,0) mP_2(3,0) \text{ m}, respectivamente.

a) Represente el campo gravitatorio resultante en el punto O(0,0)O(0,0) y calcule su valor.

G=6,671011 Nm2/kg2G = 6,67 \cdot 10^{-11} \text{ N} \cdot \text{m}^2 / \text{kg}^2

Intensidad de campoMasas puntualesSuperposición
a) Campo gravitatorio resultante en el origen O(0,0)

El campo gravitatorio creado por una masa puntual mm en un punto situado a distancia rr es:

g=Gmr2r^\vec{g} = -\frac{G \cdot m}{r^2} \hat{r}

donde r^\hat{r} es el vector unitario que apunta desde la masa hacia el punto de observación. Calculamos por separado el campo de cada masa en O(0,0).

Campo creado por $m_1 = 3$ kg en $P_1(-2, 1)$ m

Vector desde P1P_1 hasta O:

r1=OP1=(0(2))i^+(01)j^=2i^1j^ m\vec{r_1} = O - P_1 = (0-(-2))\,\hat{i} + (0-1)\,\hat{j} = 2\,\hat{i} - 1\,\hat{j} \text{ m}

Módulo de r1\vec{r_1}:

r1=22+(1)2=52,236 mr_1 = \sqrt{2^2 + (-1)^2} = \sqrt{5} \approx 2{,}236 \text{ m}

Vector unitario r1^\hat{r_1}:

r1^=r1r1=2i^j^5\hat{r_1} = \frac{\vec{r_1}}{r_1} = \frac{2\,\hat{i} - \hat{j}}{\sqrt{5}}

Campo gravitatorio de m1m_1 en O:

g1=Gm1r12r1^=6,67×10113(5)2(2i^j^)5\vec{g_1} = \frac{G \cdot m_1}{r_1^2}\,\hat{r_1} = \frac{6{,}67\times10^{-11} \cdot 3}{(\sqrt{5})^2} \cdot \frac{(2\,\hat{i} - \hat{j})}{\sqrt{5}}

Calculamos el módulo del campo de m1m_1:

g1=6,67×101135=2,001×10105=4,002×1011 N/kg|\vec{g_1}| = \frac{6{,}67\times10^{-11} \cdot 3}{5} = \frac{2{,}001\times10^{-10}}{5} = 4{,}002\times10^{-11} \text{ N/kg}

Componentes de g1\vec{g_1}:

g1x=4,002×101125=4,002×10110,8944=3,579×1011 N/kgg_{1x} = 4{,}002\times10^{-11} \cdot \frac{2}{\sqrt{5}} = 4{,}002\times10^{-11} \cdot 0{,}8944 = 3{,}579\times10^{-11} \text{ N/kg}
g1y=4,002×101115=4,002×1011(0,4472)=1,790×1011 N/kgg_{1y} = 4{,}002\times10^{-11} \cdot \frac{-1}{\sqrt{5}} = 4{,}002\times10^{-11} \cdot (-0{,}4472) = -1{,}790\times10^{-11} \text{ N/kg}
Campo creado por $m_2 = 5$ kg en $P_2(3, 0)$ m

Vector desde P2P_2 hasta O:

r2=OP2=(03)i^+(00)j^=3i^ m\vec{r_2} = O - P_2 = (0-3)\,\hat{i} + (0-0)\,\hat{j} = -3\,\hat{i} \text{ m}

Módulo: r2=3r_2 = 3 m. Vector unitario: r2^=i^\hat{r_2} = -\hat{i} Campo gravitatorio de m2m_2 en O:

g2=Gm2r22r2^=6,67×1011532(i^)\vec{g_2} = \frac{G \cdot m_2}{r_2^2}\,\hat{r_2} = \frac{6{,}67\times10^{-11} \cdot 5}{3^2} \cdot (-\hat{i})
g2=6,67×101159=3,335×10109=3,706×1011 N/kg|\vec{g_2}| = \frac{6{,}67\times10^{-11} \cdot 5}{9} = \frac{3{,}335\times10^{-10}}{9} = 3{,}706\times10^{-11} \text{ N/kg}

Componentes de g2\vec{g_2}:

g2x=3,706×1011 N/kg,g2y=0g_{2x} = -3{,}706\times10^{-11} \text{ N/kg}, \quad g_{2y} = 0
Campo gravitatorio resultante en O
g=g1+g2\vec{g} = \vec{g_1} + \vec{g_2}
gx=3,579×1011+(3,706×1011)=0,127×1011 N/kgg_x = 3{,}579\times10^{-11} + (-3{,}706\times10^{-11}) = -0{,}127\times10^{-11} \text{ N/kg}
gy=1,790×1011+0=1,790×1011 N/kgg_y = -1{,}790\times10^{-11} + 0 = -1{,}790\times10^{-11} \text{ N/kg}
g=(0,127i^1,790j^)×1011 N/kg\vec{g} = (-0{,}127\,\hat{i} - 1{,}790\,\hat{j})\times10^{-11} \text{ N/kg}

Módulo del campo resultante:

g=(0,127)2+(1,790)2×1011=0,0161+3,2041×1011|\vec{g}| = \sqrt{(-0{,}127)^2 + (-1{,}790)^2}\times10^{-11} = \sqrt{0{,}0161 + 3{,}2041}\times10^{-11}
g=3,220×1011=1,794×1011 N/kg|\vec{g}| = \sqrt{3{,}220}\times10^{-11} = 1{,}794\times10^{-11} \text{ N/kg}

Ángulo respecto al eje xx (en el tercer cuadrante):

θ=arctan(gygx)=arctan(1,7900,127)arctan(14,09)86\theta = \arctan\left(\frac{g_y}{g_x}\right) = \arctan\left(\frac{-1{,}790}{-0{,}127}\right) \approx \arctan(14{,}09) \approx 86^\circ

Como ambas componentes son negativas, el vector resultante apunta hacia el tercer cuadrante, formando un ángulo de aproximadamente 8686^\circ bajo el eje xx negativo, es decir, casi en la dirección j^-\hat{j} con una pequeña inclinación hacia i^-\hat{i}.

XYmm₁=3kg P₁(-2,1)mm₂=5kg P₂(3,0)O(0,0)g1g2g_neta