b) Dos masas m1=10 kg y m2=10 kg se encuentran situadas en los puntos A(0,0) m y B(0,2) m, respectivamente.i) Dibuje el campo gravitatorio debido a las dos masas en el punto C(1,1) m y determine su valor.ii) Calcule el trabajo que realiza la fuerza gravitatoria cuando una tercera masa m3=1 kg se desplaza desde el punto D(1,0) m hasta el punto C(1,1) m.
Dato: G=6,67⋅10−11 N⋅m2⋅kg−2
Campo gravitatorioTrabajoMasas puntuales
b) i) Dibuje el campo gravitatorio debido a las dos masas en el punto C(1,1) m y determine su valor.
Las coordenadas de las masas y el punto de interés son:
m1=10 kgen A(0,0) m
m2=10 kgen B(0,2) m
C(1,1) m
El campo gravitatorio g en un punto debido a una masa m se define como la fuerza gravitatoria por unidad de masa, y su dirección es hacia la masa. Se calcula mediante la expresión vectorial:
g=−Gr3mr
donde r es el vector posición desde la masa al punto donde se calcula el campo. En nuestro caso, rAC=rC−rA y rBC=rC−rB.Cálculo del campo g1 debido a m1 en C(1,1):
El diagrama muestra las masas m1 y m2, el punto C, y los vectores de campo gravitatorio g1, g2 y el campo resultante gC.
b) ii) Calcule el trabajo que realiza la fuerza gravitatoria cuando una tercera masa m3=1 kg se desplaza desde el punto D(1,0) m hasta el punto C(1,1) m.
El trabajo realizado por la fuerza gravitatoria al mover una masa m3 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)
La energía potencial gravitatoria de una masa m3 en un punto debido a un sistema de masas mi es la suma de las energías potenciales debidas a cada masa:
Ep=−G∑irimim3
Cálculo de las distancias para el punto D(1,0):
r1D=∣(1,0)−(0,0)∣=∣(1,0)∣=1 m
r2D=∣(1,0)−(0,2)∣=∣(1,−2)∣=12+(−2)2=5 m
Energía potencial en D(1,0):
Ep(D)=−Gm3(r1Dm1+r2Dm2)
Ep(D)=−(6,67⋅10−11)(1)(110+510)
Ep(D)=−6,67⋅10−11(10+4,472)=−6,67⋅10−11(14,472)
Ep(D)=−9,652⋅10−10 J
Cálculo de las distancias para el punto C(1,1) (ya calculadas en el apartado i):
r1C=2 m
r2C=2 m
Energía potencial en C(1,1):
Ep(C)=−Gm3(r1Cm1+r2Cm2)
Ep(C)=−(6,67⋅10−11)(1)(210+210)
Ep(C)=−6,67⋅10−11(220)=−6,67⋅10−11(14,142)
Ep(C)=−9,433⋅10−10 J
Finalmente, el trabajo realizado por la fuerza gravitatoria: