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Campo y potencial gravitatorio
Problema
2021 · Ordinaria · Titular
A2-b
Examen
b) Dos masas m1=10 kgm_{1} = 10 \text{ kg} y m2=10 kgm_{2} = 10 \text{ kg} se encuentran situadas en los puntos A(0,0) mA(0,0) \text{ m} y B(0,2) mB(0,2) \text{ m}, respectivamente.i) Dibuje el campo gravitatorio debido a las dos masas en el punto C(1,1) mC(1,1) \text{ m} y determine su valor.ii) Calcule el trabajo que realiza la fuerza gravitatoria cuando una tercera masa m3=1 kgm_{3} = 1 \text{ kg} se desplaza desde el punto D(1,0) mD(1,0) \text{ m} hasta el punto C(1,1) mC(1,1) \text{ m}.

Dato: G=6,671011 Nm2kg2G = 6,67 \cdot 10^{-11} \text{ N} \cdot \text{m}^{2} \cdot \text{kg}^{-2}

Campo gravitatorioTrabajoMasas puntuales
b) i) Dibuje el campo gravitatorio debido a las dos masas en el punto C(1,1) mC(1,1) \text{ m} y determine su valor.

Las coordenadas de las masas y el punto de interés son:

m1=10 kgen A(0,0) mm_1 = 10 \text{ kg} \quad \text{en } A(0,0) \text{ m} \\
m2=10 kgen B(0,2) mm_2 = 10 \text{ kg} \quad \text{en } B(0,2) \text{ m} \\
C(1,1) mC(1,1) \text{ m}

El campo gravitatorio g\vec{g} en un punto debido a una masa mm se define como la fuerza gravitatoria por unidad de masa, y su dirección es hacia la masa. Se calcula mediante la expresión vectorial:

g=Gmr3r\vec{g} = -G \frac{m}{r^3} \vec{r}

donde r\vec{r} es el vector posición desde la masa al punto donde se calcula el campo. En nuestro caso, rAC=rCrA\vec{r}_{AC} = \vec{r}_C - \vec{r}_A y rBC=rCrB\vec{r}_{BC} = \vec{r}_C - \vec{r}_B.Cálculo del campo g1\vec{g}_1 debido a m1m_1 en C(1,1)C(1,1):

rAC=(10,10)=(1,1) m\vec{r}_{AC} = (1-0, 1-0) = (1,1) \text{ m} \\
rAC=rAC=12+12=2 mr_{AC} = |\vec{r}_{AC}| = \sqrt{1^2 + 1^2} = \sqrt{2} \text{ m} \\
g1=Gm1rAC3rAC=(6,671011)10(2)3(1,1)=(6,671011)1022(1,1)\vec{g}_1 = -G \frac{m_1}{r_{AC}^3} \vec{r}_{AC} = - (6,67 \cdot 10^{-11}) \frac{10}{(\sqrt{2})^3} (1,1) = - (6,67 \cdot 10^{-11}) \frac{10}{2\sqrt{2}} (1,1) \\
g1=56,6710112(1,1)4,7161010(1,1) N/kg\vec{g}_1 = - \frac{5 \cdot 6,67 \cdot 10^{-11}}{\sqrt{2}} (1,1) \approx -4,716 \cdot 10^{-10} (1,1) \text{ N/kg} \\
g1=(3,3351010i^3,3351010j^) N/kg\vec{g}_1 = (-3,335 \cdot 10^{-10} \hat{i} - 3,335 \cdot 10^{-10} \hat{j}) \text{ N/kg}

Cálculo del campo g2\vec{g}_2 debido a m2m_2 en C(1,1)C(1,1):

rBC=(10,12)=(1,1) m\vec{r}_{BC} = (1-0, 1-2) = (1,-1) \text{ m} \\
rBC=rBC=12+(1)2=2 mr_{BC} = |\vec{r}_{BC}| = \sqrt{1^2 + (-1)^2} = \sqrt{2} \text{ m} \\
g2=Gm2rBC3rBC=(6,671011)10(2)3(1,1)=(6,671011)1022(1,1)\vec{g}_2 = -G \frac{m_2}{r_{BC}^3} \vec{r}_{BC} = - (6,67 \cdot 10^{-11}) \frac{10}{(\sqrt{2})^3} (1,-1) = - (6,67 \cdot 10^{-11}) \frac{10}{2\sqrt{2}} (1,-1) \\
g2=56,6710112(1,1)4,7161010(1,1) N/kg\vec{g}_2 = - \frac{5 \cdot 6,67 \cdot 10^{-11}}{\sqrt{2}} (1,-1) \approx -4,716 \cdot 10^{-10} (1,-1) \text{ N/kg} \\
g2=(3,3351010i^+3,3351010j^) N/kg\vec{g}_2 = (-3,335 \cdot 10^{-10} \hat{i} + 3,335 \cdot 10^{-10} \hat{j}) \text{ N/kg}

El campo gravitatorio total en C es la suma vectorial de los campos individuales:

gC=g1+g2=(3,33510103,3351010)i^+(3,3351010+3,3351010)j^\vec{g}_C = \vec{g}_1 + \vec{g}_2 = (-3,335 \cdot 10^{-10} - 3,335 \cdot 10^{-10}) \hat{i} + (-3,335 \cdot 10^{-10} + 3,335 \cdot 10^{-10}) \hat{j} \\
gC=(6,6701010i^+0j^) N/kg\vec{g}_C = (-6,670 \cdot 10^{-10} \hat{i} + 0 \hat{j}) \text{ N/kg}

Valor del campo gravitatorio en C:

gC=6,6701010 N/kg|\vec{g}_C| = 6,670 \cdot 10^{-10} \text{ N/kg}

El diagrama muestra las masas m1m_1 y m2m_2, el punto CC, y los vectores de campo gravitatorio g1\vec{g}_1, g2\vec{g}_2 y el campo resultante gC\vec{g}_C.

XYmm_1mm_2Cg1g2g_neta
b) ii) Calcule el trabajo que realiza la fuerza gravitatoria cuando una tercera masa m3=1 kgm_{3} = 1 \text{ kg} se desplaza desde el punto D(1,0) mD(1,0) \text{ m} hasta el punto C(1,1) mC(1,1) \text{ m}.

El trabajo realizado por la fuerza gravitatoria al mover una masa m3m_3 de un punto D a un punto C es independiente de la trayectoria y se calcula como la variación negativa de la energía potencial gravitatoria:

WDC=ΔEp=Ep(D)Ep(C)W_{DC} = - \Delta E_p = E_p(D) - E_p(C)

La energía potencial gravitatoria de una masa m3m_3 en un punto debido a un sistema de masas mim_i es la suma de las energías potenciales debidas a cada masa:

Ep=Gimim3riE_p = -G \sum_{i} \frac{m_i m_3}{r_i}

Cálculo de las distancias para el punto D(1,0)D(1,0):

r1D=(1,0)(0,0)=(1,0)=1 mr_{1D} = |(1,0) - (0,0)| = |(1,0)| = 1 \text{ m} \\
r2D=(1,0)(0,2)=(1,2)=12+(2)2=5 mr_{2D} = |(1,0) - (0,2)| = |(1,-2)| = \sqrt{1^2 + (-2)^2} = \sqrt{5} \text{ m}

Energía potencial en D(1,0)D(1,0):

Ep(D)=Gm3(m1r1D+m2r2D)E_p(D) = -G m_3 \left( \frac{m_1}{r_{1D}} + \frac{m_2}{r_{2D}} \right) \\
Ep(D)=(6,671011)(1)(101+105)E_p(D) = - (6,67 \cdot 10^{-11}) (1) \left( \frac{10}{1} + \frac{10}{\sqrt{5}} \right) \\
Ep(D)=6,671011(10+4,472)=6,671011(14,472)E_p(D) = - 6,67 \cdot 10^{-11} (10 + 4,472) = - 6,67 \cdot 10^{-11} (14,472) \\
Ep(D)=9,6521010 JE_p(D) = -9,652 \cdot 10^{-10} \text{ J}

Cálculo de las distancias para el punto C(1,1)C(1,1) (ya calculadas en el apartado i):

r1C=2 mr_{1C} = \sqrt{2} \text{ m} \\
r2C=2 mr_{2C} = \sqrt{2} \text{ m}

Energía potencial en C(1,1)C(1,1):

Ep(C)=Gm3(m1r1C+m2r2C)E_p(C) = -G m_3 \left( \frac{m_1}{r_{1C}} + \frac{m_2}{r_{2C}} \right) \\
Ep(C)=(6,671011)(1)(102+102)E_p(C) = - (6,67 \cdot 10^{-11}) (1) \left( \frac{10}{\sqrt{2}} + \frac{10}{\sqrt{2}} \right) \\
Ep(C)=6,671011(202)=6,671011(14,142)E_p(C) = - 6,67 \cdot 10^{-11} \left( \frac{20}{\sqrt{2}} \right) = - 6,67 \cdot 10^{-11} (14,142) \\
Ep(C)=9,4331010 JE_p(C) = -9,433 \cdot 10^{-10} \text{ J}

Finalmente, el trabajo realizado por la fuerza gravitatoria:

WDC=Ep(D)Ep(C)=(9,6521010)(9,4331010)W_{DC} = E_p(D) - E_p(C) = (-9,652 \cdot 10^{-10}) - (-9,433 \cdot 10^{-10}) \\
WDC=0,2191010 JW_{DC} = -0,219 \cdot 10^{-10} \text{ J} \\
WDC=2,191011 JW_{DC} = -2,19 \cdot 10^{-11} \text{ J}