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T1: Interacción gravitatoria
Energía en el campo gravitatorio
Teoría
2023 · Extraordinaria · Reserva
A1-a
Examen
a) Dos cuerpos idénticos de masa mm caen partiendo del reposo desde alturas hh y 2h2h, 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 (EmE_m) se conserva. Esta se define como la suma de la energía cinética (EcE_c) y la energía potencial gravitatoria (EpE_p):

Em=Ec+Ep=12mv2+mgH=constanteE_m = E_c + E_p = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2 + m \cdot g \cdot H = \text{constante}

Para ambos cuerpos, que parten del reposo (vinicial=0v_{inicial} = 0) desde una altura HH y llegan al suelo (Hfinal=0H_{final} = 0), se cumple que la energía potencial inicial se transforma íntegramente en energía cinética final:

mgH=12mvfinal2m \cdot g \cdot H = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v_{final}^2
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=2gHv = \sqrt{2 \cdot g \cdot H}

Para el cuerpo 1 (altura hh): v1=2ghv_1 = \sqrt{2 \cdot g \cdot h}.Para el cuerpo 2 (altura 2h2h): v2=2g(2h)=22ghv_2 = \sqrt{2 \cdot g \cdot (2h)} = \sqrt{2} \cdot \sqrt{2 \cdot g \cdot h}.Dividiendo ambas expresiones para hallar la relación: v2v1=22gh2gh=2\frac{v_2}{v_1} = \frac{\sqrt{2} \cdot \sqrt{2gh}}{\sqrt{2gh}} = \sqrt{2}. Por tanto, v2=2v1v_2 = \sqrt{2} \cdot v_1.

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=mgHE_c = m \cdot g \cdot H

Para el cuerpo 1: Ec,1=mghE_{c,1} = m \cdot g \cdot h.Para el cuerpo 2: Ec,2=mg(2h)=2(mgh)E_{c,2} = m \cdot g \cdot (2h) = 2 \cdot (m \cdot g \cdot h).Comparando los resultados, la relación es: Ec,2=2Ec,1E_{c,2} = 2 \cdot E_{c,1}. La energía cinética del segundo cuerpo es el doble que la del primero al llegar al suelo.

T1: Interacción gravitatoria · Energía en el campo gravitatorio — FISICA PEvAU Andalucía 2023