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Campo y potencial gravitatorio
Problema
2023 · Ordinaria · Suplente
B1
Examen

Una partícula de masa de 5⋅104 kg5 \cdot 10^{4} \text{ kg} se encuentra fija en el punto (6,8) cm(6, 8) \text{ cm} del plano xyxy.

a) Calcule el campo gravitatorio que dicha partícula genera en el origen de coordenadas.

Desde el origen de coordenadas lanzamos una segunda partícula de masa 25 mg25 \text{ mg} con una velocidad de 5 mm⋅s−15 \text{ mm} \cdot \text{s}^{-1} según la dirección que une ambas partículas alejándola de la primera.

b) Obtenga la distancia máxima a la que llegará la segunda partícula con respecto a la primera.

Dato: Constante de Gravitación Universal, G=6,67⋅10−11 N⋅m2⋅kg−2G = 6,67 \cdot 10^{-11} \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{kg}^{-2}.

Campo gravitatorioEnergía mecánica
a) Calcule el campo gravitatorio que dicha partícula genera en el origen de coordenadas.

La masa de la partícula fija es M=5⋅104 kgM = 5 \cdot 10^{4} \text{ kg}. Su posición es RM⃗=(6,8) cm=(0.06i^+0.08j^) m\vec{R_M} = (6, 8) \text{ cm} = (0.06\hat{i} + 0.08\hat{j}) \text{ m}. El origen de coordenadas es el punto P=(0,0) mP = (0, 0) \text{ m}. El campo gravitatorio g⃗\vec{g} en un punto PP debido a una masa MM situada en RM⃗\vec{R_M} se calcula como:

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

donde GG es la constante de gravitación universal, rr es la distancia entre la masa MM y el punto PP, y u^MP\hat{u}_{MP} es el vector unitario que va desde la masa MM hacia el punto PP. Es decir, u^MP=RP⃗−RM⃗∣RP⃗−RM⃗∣\hat{u}_{MP} = \frac{\vec{R_P} - \vec{R_M}}{|\vec{R_P} - \vec{R_M}|}.Primero, calculamos el vector desde la masa MM hasta el origen PP:

r⃗MP=RP⃗−RM⃗=(0i^+0j^)−(0.06i^+0.08j^)=(−0.06i^−0.08j^) m\vec{r}_{MP} = \vec{R_P} - \vec{R_M} = (0\hat{i} + 0\hat{j}) - (0.06\hat{i} + 0.08\hat{j}) = (-0.06\hat{i} - 0.08\hat{j}) \text{ m}

La distancia rr entre la masa y el origen es el módulo de este vector:

r=∣r⃗MP∣=(−0.06)2+(−0.08)2=0.0036+0.0064=0.01=0.1 mr = |\vec{r}_{MP}| = \sqrt{(-0.06)^2 + (-0.08)^2} = \sqrt{0.0036 + 0.0064} = \sqrt{0.01} = 0.1 \text{ m}

Ahora, calculamos el vector unitario u^MP\hat{u}_{MP}:

u^MP=r⃗MPr=(−0.06i^−0.08j^)0.1=(−0.6i^−0.8j^)\hat{u}_{MP} = \frac{\vec{r}_{MP}}{r} = \frac{(-0.06\hat{i} - 0.08\hat{j})}{0.1} = (-0.6\hat{i} - 0.8\hat{j})

Sustituimos los valores en la fórmula del campo gravitatorio:

g⃗=−(6.67⋅10−11 N⋅m2⋅kg−2)5⋅104 kg(0.1 m)2(−0.6i^−0.8j^)\vec{g} = -(6.67 \cdot 10^{-11} \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{kg}^{-2}) \frac{5 \cdot 10^{4} \text{ kg}}{(0.1 \text{ m})^2} (-0.6\hat{i} - 0.8\hat{j})
g⃗=−(6.67⋅10−11)5⋅1040.01(−0.6i^−0.8j^)\vec{g} = -(6.67 \cdot 10^{-11}) \frac{5 \cdot 10^{4}}{0.01} (-0.6\hat{i} - 0.8\hat{j})
g⃗=−(6.67⋅10−11)(5⋅106)(−0.6i^−0.8j^)\vec{g} = -(6.67 \cdot 10^{-11}) (5 \cdot 10^{6}) (-0.6\hat{i} - 0.8\hat{j})
g⃗=−(3.335⋅10−4)(−0.6i^−0.8j^)\vec{g} = -(3.335 \cdot 10^{-4}) (-0.6\hat{i} - 0.8\hat{j})
g⃗=(2.001⋅10−4i^+2.668⋅10−4j^) N⋅kg−1\vec{g} = (2.001 \cdot 10^{-4}\hat{i} + 2.668 \cdot 10^{-4}\hat{j}) \text{ N} \cdot \text{kg}^{-1}
b) Obtenga la distancia máxima a la que llegará la segunda partícula con respecto a la primera.

Aplicamos el principio de conservación de la energía mecánica. La segunda partícula, de masa m=25 mg=25⋅10−6 kgm = 25 \text{ mg} = 25 \cdot 10^{-6} \text{ kg}, se lanza desde el origen (r0=0.1 mr_0 = 0.1 \text{ m} de la primera partícula) con una velocidad inicial v0=5 mm⋅s−1=5⋅10−3 m⋅s−1v_0 = 5 \text{ mm} \cdot \text{s}^{-1} = 5 \cdot 10^{-3} \text{ m} \cdot \text{s}^{-1}. Alcanzará la distancia máxima cuando su velocidad final sea nula (vf=0v_f = 0). La energía mecánica se conserva:

Ek0+Ep0=Ekf+EpfE_{k0} + E_{p0} = E_{kf} + E_{pf}

Donde EkE_k es la energía cinética y EpE_p es la energía potencial gravitatoria.

12mv02−GMmr0=12mvf2−GMmrf\frac{1}{2} m v_0^2 - G \frac{Mm}{r_0} = \frac{1}{2} m v_f^2 - G \frac{Mm}{r_f}

En la distancia máxima, vf=0v_f = 0. Dividiendo toda la ecuación por mm:

12v02−GMr0=−GMrf\frac{1}{2} v_0^2 - G \frac{M}{r_0} = -G \frac{M}{r_f}

Despejamos rfr_f:

GMrf=GMr0−12v02G \frac{M}{r_f} = G \frac{M}{r_0} - \frac{1}{2} v_0^2
1rf=1r0−v022GM\frac{1}{r_f} = \frac{1}{r_0} - \frac{v_0^2}{2GM}
rf=11r0−v022GMr_f = \frac{1}{\frac{1}{r_0} - \frac{v_0^2}{2GM}}

Sustituimos los valores conocidos:

r0=0.1 mr_0 = 0.1 \text{ m}
v0=5⋅10−3 m⋅s−1v_0 = 5 \cdot 10^{-3} \text{ m} \cdot \text{s}^{-1}
M=5⋅104 kgM = 5 \cdot 10^{4} \text{ kg}
G=6.67⋅10−11 N⋅m2⋅kg−2G = 6.67 \cdot 10^{-11} \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{kg}^{-2}

Calculamos el término v022GM\frac{v_0^2}{2GM}:

2GM=2⋅(6.67⋅10−11)⋅(5⋅104)=6.67⋅10−6 m3⋅s−22GM = 2 \cdot (6.67 \cdot 10^{-11}) \cdot (5 \cdot 10^{4}) = 6.67 \cdot 10^{-6} \text{ m}^3 \cdot \text{s}^{-2}
v022GM=(5⋅10−3)26.67⋅10−6=25⋅10−66.67⋅10−6≈3.7481 m−1\frac{v_0^2}{2GM} = \frac{(5 \cdot 10^{-3})^2}{6.67 \cdot 10^{-6}} = \frac{25 \cdot 10^{-6}}{6.67 \cdot 10^{-6}} \approx 3.7481 \text{ m}^{-1}

Ahora, sustituimos en la expresión para rfr_f:

1rf=10.1 m−3.7481 m−1=10 m−1−3.7481 m−1=6.2519 m−1\frac{1}{r_f} = \frac{1}{0.1 \text{ m}} - 3.7481 \text{ m}^{-1} = 10 \text{ m}^{-1} - 3.7481 \text{ m}^{-1} = 6.2519 \text{ m}^{-1}
rf=16.2519 m−1≈0.15995 mr_f = \frac{1}{6.2519 \text{ m}^{-1}} \approx 0.15995 \text{ m}

La distancia máxima a la que llegará la segunda partícula con respecto a la primera es aproximadamente 0.160 m0.160 \text{ m}.