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Potencial gravitatorio
Teoría
2017 · Ordinaria · Reserva
1A-a
Examen
a) Una partícula de masa mm se desplaza desde un punto A hasta otro punto B en una región en la que existe un campo gravitatorio creado por otra masa MM. Si el valor del potencial gravitatorio en el punto B es mayor que en el punto A, razone si el desplazamiento de la partícula es espontáneo o no.
Energía potencialEspontaneidadCampo gravitatorio
a) Análisis del desplazamiento espontáneo en un campo gravitatorio

En un campo gravitatorio, el potencial gravitatorio VV en un punto se define como el trabajo realizado por el campo para llevar la unidad de masa desde ese punto hasta el infinito (o equivalentemente, el trabajo que realiza el campo por unidad de masa al desplazar la partícula). La energía potencial gravitatoria de una masa mm en un punto de potencial VV es:

Ep=mVE_p = m \cdot V

El trabajo realizado por el campo gravitatorio al desplazar la masa mm desde A hasta B es:

WAB=ΔEp=(EpBEpA)=m(VAVB)W_{A \to B} = -\Delta E_p = -(E_{p_B} - E_{p_A}) = m(V_A - V_B)

Si el potencial en B es mayor que en A, es decir VB>VAV_B > V_A, entonces VAVB<0V_A - V_B < 0, por lo que:

WAB=m(VAVB)<0W_{A \to B} = m(V_A - V_B) < 0

Un trabajo negativo realizado por el campo significa que el campo gravitatorio se opone al movimiento de A hacia B. Es decir, el campo no impulsa a la partícula en ese sentido, sino que actúa en contra.Para que un desplazamiento sea espontáneo, el campo debe realizar trabajo positivo sobre la partícula (la fuerza favorece el movimiento). Puesto que WAB<0W_{A \to B} < 0, el desplazamiento de A a B no es espontáneo.Físicamente, esto es coherente con el hecho de que el potencial gravitatorio es máximo en el infinito (V=0V = 0) y decrece (se hace más negativo) a medida que nos acercamos a la masa MM. Las partículas se mueven espontáneamente hacia regiones de menor potencial gravitatorio (mayor energía potencial negativa), no hacia regiones de mayor potencial. Por tanto, el desplazamiento espontáneo sería de B hacia A, no de A hacia B.Conclusión: como VB>VAV_B > V_A, el desplazamiento de A a B no es espontáneo; requeriría un agente externo que realizara trabajo sobre la partícula para moverla en ese sentido.