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Campo gravitatorio
Teoría
2021 · Ordinaria · Reserva
A.1-a
Examen
a) Razone la veracidad o falsedad de la siguiente afirmación: “Dos masas de valor mm y 4m4m separadas una distancia dd, generarán un campo gravitatorio nulo en un punto entre ambas situado a una distancia d/3d/3 de la masa más pequeña”.
Campo gravitatorioMasa
a) La afirmación es verdadera.

Para razonar la veracidad o falsedad de la afirmación, calcularemos el campo gravitatorio total en el punto especificado, que es la suma vectorial de los campos gravitatorios generados por cada masa individualmente.Consideremos que la masa m1=mm_1 = m se encuentra en el origen y la masa m2=4mm_2 = 4m se encuentra a una distancia dd en el eje x positivo. El punto de interés PP está entre ambas masas, a una distancia r1=d/3r_1 = d/3 de la masa m1m_1.La distancia del punto PP a la masa m2m_2 será r2=dr1=dd/3=2d/3r_2 = d - r_1 = d - d/3 = 2d/3.El campo gravitatorio g\vec{g} creado por una masa puntual MM a una distancia rr viene dado por la expresión:

g=GMr2g = G \frac{M}{r^2}

Donde GG es la constante de gravitación universal. El campo gravitatorio es una magnitud vectorial que siempre apunta hacia la masa que lo genera.Calculamos el módulo del campo gravitatorio generado por la masa m1=mm_1 = m en el punto PP:

g1=Gm1r12=Gm(d/3)2=Gmd2/9=G9md2g_1 = G \frac{m_1}{r_1^2} = G \frac{m}{(d/3)^2} = G \frac{m}{d^2/9} = G \frac{9m}{d^2}

Este campo g1\vec{g_1} apunta hacia la masa m1m_1, es decir, en dirección negativa del eje x si la masa m1m_1 está en el origen y el punto PP a su derecha. Sin embargo, para que el campo sea nulo, los vectores deben ser opuestos. Si consideramos el punto P a d/3d/3 de m1m_1, g1\vec{g_1} se dirigirá hacia la izquierda (hacia m1m_1). Por convención, si m1m_1 está a la izquierda y m2m_2 a la derecha, y el punto P está en medio, g1\vec{g_1} apunta hacia m1m_1 (izquierda) y g2\vec{g_2} apunta hacia m2m_2 (derecha). O si la dirección es hacia m1m_1, y m1m_1 está a la izquierda del punto, g1\vec{g_1} apunta a la izquierda. Y si m2m_2 está a la derecha del punto, g2\vec{g_2} apunta a la derecha. Para que los campos se anulen, deben ser opuestos. Corregimos la interpretación para que apunten en direcciones opuestas.Si mm está en x=0x=0 y 4m4m en x=dx=d, y el punto P está en x=d/3x=d/3:El campo g1\vec{g_1} debido a la masa m1=mm_1 = m en el punto PP apuntará hacia la izquierda (hacia m1m_1). Su magnitud es g1=G9md2g_1 = G \frac{9m}{d^2}.El campo g2\vec{g_2} debido a la masa m2=4mm_2 = 4m en el punto PP apuntará hacia la derecha (hacia m2m_2). Su magnitud es g2=G4mr22g_2 = G \frac{4m}{r_2^2}.Calculamos el módulo del campo gravitatorio generado por la masa m2=4mm_2 = 4m en el punto PP:

g2=Gm2r22=G4m(2d/3)2=G4m4d2/9=G36m4d2=G9md2g_2 = G \frac{m_2}{r_2^2} = G \frac{4m}{(2d/3)^2} = G \frac{4m}{4d^2/9} = G \frac{36m}{4d^2} = G \frac{9m}{d^2}

Como se puede observar, los módulos de los campos gravitatorios generados por ambas masas en el punto PP son iguales: g1=g2=G9md2g_1 = g_2 = G \frac{9m}{d^2}.Dado que el punto PP se encuentra entre las dos masas, los vectores campo gravitatorio g1\vec{g_1} y g2\vec{g_2} tienen direcciones opuestas.Por lo tanto, el campo gravitatorio total en el punto PP será la suma vectorial de ambos:

gtotal=g1+g2\vec{g}_{total} = \vec{g_1} + \vec{g_2}

Al tener la misma magnitud y direcciones opuestas, se anulan mutuamente, resultando un campo gravitatorio nulo en dicho punto.

gtotal=G9md2(i^)+G9md2(i^)=0\vec{g}_{total} = G \frac{9m}{d^2} (-\hat{i}) + G \frac{9m}{d^2} (\hat{i}) = \vec{0}