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Campo y fuerza gravitatoria
Problema
2020 · Ordinaria · Suplente
1-b
Examen
1. b) Dos masas de {{m1}} se encuentran situadas en los puntos (0,0) m y (4,0) m. i) Represente en un esquema el campo gravitatorio creado por las dos masas en el punto (4,4) m y calcule su valor. ii) Si colocamos una masa de {{m2}} en ese punto, ¿cuál será la fuerza que experimentará?

Dato: G=6,671011 Nm2/kg2G = 6,67 \cdot 10^{-11} \text{ N} \cdot \text{m}^2 / \text{kg}^2

Campo gravitatorioFuerza gravitatoria
b) i) Represente en un esquema el campo gravitatorio creado por las dos masas en el punto (4,4) m y calcule su valor.

Denominemos MAM_A a la masa en (0,0)(0,0) m y MBM_B a la masa en (4,0)(4,0) m. Ambas tienen un valor de m1=1 kgm_1 = 1 \text{ kg}. El punto de interés es P=(4,4)P=(4,4) m.

XYmM_A (0,0)mM_B (4,0)P (4,4)g1g2g_neta

El campo gravitatorio g\vec{g} creado por una masa puntual MM en un punto PP se define como:

g=GMr2u^r\vec{g} = -G \frac{M}{r^2} \hat{u}_{r}

donde G=6,671011 Nm2/kg2G = 6,67 \cdot 10^{-11} \text{ N} \cdot \text{m}^2 / \text{kg}^2 es la constante de gravitación universal, MM es la masa que crea el campo, rr es la distancia desde la masa al punto PP, y u^r\hat{u}_{r} es el vector unitario que apunta desde la masa hacia el punto PP. El signo negativo indica que el campo gravitatorio es un campo atractivo, es decir, el vector g\vec{g} apunta hacia la masa que lo crea.Primero, calculamos el campo gravitatorio gA\vec{g}_A debido a la masa MA=m1=1 kgM_A = m_1 = 1 \text{ kg} en (0,0)(0,0) m en el punto P=(4,4)P=(4,4) m.

rAP=P(0,0)=(4i+4j) m\vec{r}_{AP} = P - (0,0) = (4\vec{i} + 4\vec{j}) \text{ m}
rAP=rAP=42+42=16+16=32=42 mr_{AP} = |\vec{r}_{AP}| = \sqrt{4^2 + 4^2} = \sqrt{16+16} = \sqrt{32} = 4\sqrt{2} \text{ m}
u^AP=rAPrAP=4i+4j42=(12i+12j)=(22i+22j)\hat{u}_{AP} = \frac{\vec{r}_{AP}}{r_{AP}} = \frac{4\vec{i} + 4\vec{j}}{4\sqrt{2}} = \left(\frac{1}{\sqrt{2}}\vec{i} + \frac{1}{\sqrt{2}}\vec{j}\right) = \left(\frac{\sqrt{2}}{2}\vec{i} + \frac{\sqrt{2}}{2}\vec{j}\right)
gA=GMArAP2u^AP\vec{g}_A = -G \frac{M_A}{r_{AP}^2} \hat{u}_{AP}
gA=6,6710111 kg(32)2 m2(22i+22j)\vec{g}_A = -6,67 \cdot 10^{-11} \frac{1 \text{ kg}}{(\sqrt{32})^2 \text{ m}^2} \left(\frac{\sqrt{2}}{2}\vec{i} + \frac{\sqrt{2}}{2}\vec{j}\right)
gA=6,671011132(0,7071i+0,7071j) N/kg\vec{g}_A = -6,67 \cdot 10^{-11} \frac{1}{32} (0,7071\vec{i} + 0,7071\vec{j}) \text{ N/kg}
gA(1,4721012i1,4721012j) N/kg\vec{g}_A \approx (-1,472 \cdot 10^{-12} \vec{i} - 1,472 \cdot 10^{-12} \vec{j}) \text{ N/kg}

Ahora, calculamos el campo gravitatorio gB\vec{g}_B debido a la masa MB=m1=1 kgM_B = m_1 = 1 \text{ kg} en (4,0)(4,0) m en el punto P=(4,4)P=(4,4) m.

rBP=P(4,0)=(0i+4j) m\vec{r}_{BP} = P - (4,0) = (0\vec{i} + 4\vec{j}) \text{ m}
rBP=rBP=02+42=4 mr_{BP} = |\vec{r}_{BP}| = \sqrt{0^2 + 4^2} = 4 \text{ m}
u^BP=rBPrBP=4j4=j\hat{u}_{BP} = \frac{\vec{r}_{BP}}{r_{BP}} = \frac{4\vec{j}}{4} = \vec{j}
gB=GMBrBP2u^BP\vec{g}_B = -G \frac{M_B}{r_{BP}^2} \hat{u}_{BP}
gB=6,6710111 kg(4)2 m2j\vec{g}_B = -6,67 \cdot 10^{-11} \frac{1 \text{ kg}}{(4)^2 \text{ m}^2} \vec{j}
gB=6,671011116j N/kg\vec{g}_B = -6,67 \cdot 10^{-11} \frac{1}{16} \vec{j} \text{ N/kg}
gB(0i4,1691012j) N/kg\vec{g}_B \approx (0 \vec{i} - 4,169 \cdot 10^{-12} \vec{j}) \text{ N/kg}

El campo gravitatorio total gP\vec{g}_P en el punto PP es la suma vectorial de gA\vec{g}_A y gB\vec{g}_B:

gP=gA+gB\vec{g}_P = \vec{g}_A + \vec{g}_B
gP=(1,4721012i1,4721012j)+(0i4,1691012j)\vec{g}_P = (-1,472 \cdot 10^{-12} \vec{i} - 1,472 \cdot 10^{-12} \vec{j}) + (0 \vec{i} - 4,169 \cdot 10^{-12} \vec{j})
gP=(1,4721012i(1,472+4,169)1012j) N/kg\vec{g}_P = (-1,472 \cdot 10^{-12} \vec{i} - (1,472 + 4,169) \cdot 10^{-12} \vec{j}) \text{ N/kg}
gP=(1,4721012i5,6411012j) N/kg\vec{g}_P = (-1,472 \cdot 10^{-12} \vec{i} - 5,641 \cdot 10^{-12} \vec{j}) \text{ N/kg}

El módulo del campo gravitatorio es:

gP=(1,4721012)2+(5,6411012)2|\vec{g}_P| = \sqrt{(-1,472 \cdot 10^{-12})^2 + (-5,641 \cdot 10^{-12})^2}
gP=2,1671024+31,821024|\vec{g}_P| = \sqrt{2,167 \cdot 10^{-24} + 31,82 \cdot 10^{-24}}
gP=33,9871024 N/kg|\vec{g}_P| = \sqrt{33,987 \cdot 10^{-24}} \text{ N/kg}
gP5,831012 N/kg|\vec{g}_P| \approx 5,83 \cdot 10^{-12} \text{ N/kg}
b) ii) Si colocamos una masa de m2=2 kgm_2 = 2 \text{ kg} en ese punto, ¿cuál será la fuerza que experimentará?

La fuerza F\vec{F} que experimenta una masa mC=m2=2 kgm_C = m_2 = 2 \text{ kg} colocada en un campo gravitatorio gP\vec{g}_P es:

F=mCgP\vec{F} = m_C \vec{g}_P
F=2 kg(1,4721012i5,6411012j) N/kg\vec{F} = 2 \text{ kg} \cdot (-1,472 \cdot 10^{-12} \vec{i} - 5,641 \cdot 10^{-12} \vec{j}) \text{ N/kg}
F=(2,9441012i1,12821011j) N\vec{F} = (-2,944 \cdot 10^{-12} \vec{i} - 1,1282 \cdot 10^{-11} \vec{j}) \text{ N}

El módulo de la fuerza es:

F=mCgP=2 kg5,831012 N/kg|\vec{F}| = m_C |\vec{g}_P| = 2 \text{ kg} \cdot 5,83 \cdot 10^{-12} \text{ N/kg}
F=1,1661011 N|\vec{F}| = 1,166 \cdot 10^{-11} \text{ N}