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T1: Interacción gravitatoria
Energía en el campo gravitatorio
Teoría
2023 · Extraordinaria · Reserva
A1-a
a) Dos cuerpos idénticos de masa m caen partiendo del reposo desde alturas h y 2h, respectivamente. Razone mediante consideraciones energéticas la relación entre: i) sus velocidades al llegar al suelo; ii) sus energías cinéticas al llegar al suelo.
EnergíaCaída libre
Conservación de la Energía Mecánica
En un sistema donde solo actúan fuerzas conservativas (despreciando el rozamiento con el aire), la energía mecánica total (Em) se conserva. Esta se define como la suma de la energía cinética (Ec) y la energía potencial gravitatoria (Ep):
Em=Ec+Ep=21⋅m⋅v2+m⋅g⋅H=constante
Para ambos cuerpos, que parten del reposo (vinicial=0) desde una altura H y llegan al suelo (Hfinal=0), se cumple que la energía potencial inicial se transforma íntegramente en energía cinética final:
m⋅g⋅H=21⋅m⋅vfinal2
a) i) Relación entre sus velocidades al llegar al suelo.
A partir de la igualdad de energías, despejamos la velocidad final en función de la altura de caída:
v=2⋅g⋅H
Para el cuerpo 1 (altura h): v1=2⋅g⋅h.Para el cuerpo 2 (altura 2h): v2=2⋅g⋅(2h)=2⋅2⋅g⋅h.Dividiendo ambas expresiones para hallar la relación: v1v2=2gh2⋅2gh=2. Por tanto, v2=2⋅v1.
a) ii) Relación entre sus energías cinéticas al llegar al suelo.
Como se ha establecido, la energía cinética final es igual a la energía potencial inicial del cuerpo:
Ec=m⋅g⋅H
Para el cuerpo 1: Ec,1=m⋅g⋅h.Para el cuerpo 2: Ec,2=m⋅g⋅(2h)=2⋅(m⋅g⋅h).Comparando los resultados, la relación es: Ec,2=2⋅Ec,1. La energía cinética del segundo cuerpo es el doble que la del primero al llegar al suelo.