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Campo gravitatorio terrestre y planetario
Problema
2021 · Extraordinaria · Titular
A1-b
Examen
b) Conociendo la gravedad y la velocidad de escape en la superficie de Marte, calcule: i) El radio de Marte. ii) La masa de Marte.

Datos: gMarte=3,7 m s−2g_{\text{Marte}} = 3,7 \text{ m s}^{-2}; vescape=5⋅103 m s−1v_{\text{escape}} = 5 \cdot 10^3 \text{ m s}^{-1}; G=6,67⋅10−11 N m2 kg−2G = 6,67 \cdot 10^{-11} \text{ N m}^2 \text{ kg}^{-2}

GravedadMasa planetariaRadio planetario
b) i) El radio de Marte.

La aceleración de la gravedad en la superficie de un planeta de masa MM y radio RR viene dada por la expresión:

g=GMR2g = \frac{GM}{R^2}

La velocidad de escape desde la superficie de un planeta de masa MM y radio RR viene dada por la expresión:

vescape=2GMRv_{\text{escape}} = \sqrt{\frac{2GM}{R}}

De la expresión de la gravedad, podemos despejar GMGM:

GM=gR2GM = gR^2

Sustituimos esta expresión en la fórmula de la velocidad de escape:

vescape=2(gR2)R=2gRv_{\text{escape}} = \sqrt{\frac{2(gR^2)}{R}} = \sqrt{2gR}

Ahora, elevamos al cuadrado y despejamos el radio RR:

vescape2=2gR  ⟹  R=vescape22gv_{\text{escape}}^2 = 2gR \implies R = \frac{v_{\text{escape}}^2}{2g}

Sustituimos los valores proporcionados:

R=(5⋅103 m s−1)22⋅(3,7 m s−2)=25⋅106 m2 s−27,4 m s−2=3,378⋅106 mR = \frac{(5 \cdot 10^3 \text{ m s}^{-1})^2}{2 \cdot (3,7 \text{ m s}^{-2})} = \frac{25 \cdot 10^6 \text{ m}^2 \text{ s}^{-2}}{7,4 \text{ m s}^{-2}} = 3,378 \cdot 10^6 \text{ m}
b) ii) La masa de Marte.

Una vez conocido el radio de Marte, podemos calcular su masa utilizando la expresión de la gravedad superficial:

g=GMR2  ⟹  M=gR2Gg = \frac{GM}{R^2} \implies M = \frac{gR^2}{G}

Sustituimos los valores:

M=(3,7 m s−2)⋅(3,378⋅106 m)26,67⋅10−11 N m2 kg−2=3,7⋅(1,1411⋅1013)6,67⋅10−11 kgM = \frac{(3,7 \text{ m s}^{-2}) \cdot (3,378 \cdot 10^6 \text{ m})^2}{6,67 \cdot 10^{-11} \text{ N m}^2 \text{ kg}^{-2}} = \frac{3,7 \cdot (1,1411 \cdot 10^{13})}{6,67 \cdot 10^{-11}} \text{ kg}
M=4,222⋅10136,67⋅10−11 kg=6,330⋅1023 kgM = \frac{4,222 \cdot 10^{13}}{6,67 \cdot 10^{-11}} \text{ kg} = 6,330 \cdot 10^{23} \text{ kg}