miércoles, 5 de febrero de 2014

SOLUCIÓN EXAMEN CAMPO GRAVITATORIO 2 BACH 13-14

1.       Saturno tiene una masa 95,2 veces la de la Tierra, y su radio es 9,5 veces el de la Tierra. Sabiendo que la aceleración de la gravedad en la superficie de la Tierra vale 9,8 m/s2 y el radio de la Tierra que figura en el ejercicio 4.
a.       Valor de la aceleración de la gravedad sobre la superficie de Saturno.
b.       Velocidad orbital de Titán, un satélite de Saturno, suponiendo una órbita circular de radio 1.221.850 Km.
c.        Velocidad de escape para la superficie de Saturno.
[0,5 croquis y dibujos esquemáticos para el ejercicio, 0,5 uso de unidades; 0,5 cada solución obtenida; 0,5 plantea las ecuaciones y despeja antes de sustituir los datos numéricos.


a.       El valor de la aceleración de la gravedad sobre un cuerpo celeste se obtiene a través de la ecuación siguiente:
g=G·Mplaneta/R2planeta
Notemos que es semejante a la ecuación que nos daría el valor del campo gravitatorio a una distancia R de un cuerpo de masa M. Sustituimos los datos de Saturno por los que tenemos de la Tierra.
                                               g=G·(95,2MTierra)/(9,52 R2Tierra)=[95,2/9,52]·G·MTierra/R2Tierra=
                                               =[95,2/9,52]·gTierra=[95,2/9,52]·9,8m/s2=10,33 m/s2

b.       La figura mayor es Saturno, y la menor Titán. La velocidad orbital es
Vo=Raíz(G·MSaturno/D)
Procedemos como antes para Tierra:

Vo=Raíz(G·95,2MTierra/D)

Como sabemos que gTierra=G·MTierra/R2Tierra, multiplicamos dentro del radical numerador y denominador por R2Tierra para que no se modifique el resultado:

Vo=Raíz(R2Tierra·95,2·G·MTierra/(D·R2Tierra))=Raíz(95,2·R2Tierra·g/D)=

               =Raíz(95,2·67000002m2·9,8m/s2/1221850000m)=5854,6 m/s

a.       Calculamos la velocidad de escape para el planeta Saturno, la forma de operar es similar a la velocidad orbital, pero ahora la ecuación es algo distinta:

Vo=Raíz(2·G·MSaturno/RSaturno)= Raíz(2·G·95,2·MTierra/(9,5RTierra))

Multiplicamos por RTierra dentro del radical al numerador y al denominador:

=Raíz(2·RTierra·G·95,2·MTierra/(9,5R2Tierra))=Raíz(2·g·95,2·RTierra/9,5)=
=Raíz(2·9,8m/s2·95,2·6700000m/9,5)=36276 Km


2. Dibuja los siguientes casos [0,5 cada uno; 0,5 todos bien]
a.       Las líneas de campo alrededor de una masa.
b.       Las líneas de campo alrededor de una masa mitad de la anterior.
c.        Una masa y una superficie cerrada cuyo flujo de campo sea cero.

La correcta es la tercera. Vemos que hay dos regiones claramente delimitadas, la primera corresponde a un comportamiento lineal, la segunda es una curva descendente. Sabemos que g en el interior de la Tierra responde a la siguiente ecuación:

g(r) = 4/3 π·G·d·r       

Siendo d la densidad media del planeta, y r la distancia al centro de la Tierra. Vemos como es directamente proporcional el valor de g a la distancia al centro de la Tierra, su representación gráfica ha de ser la recta. En cuanto al exterior, más allá de la superficie del planeta:

                                               g(r) = G·M/r2

Que se corresponde con la parte curva de la gráfica, una zona inversamente proporcional con el cuadrado de la distancia al centro del planeta.

4.Tres masas de 50, 70 y 100 billones de Kg se encuentran en los vértices de un triángulo equilátero de 20 m de lado. Una cuarta masa de 25 billones de Kg se coloca en el centro del triángulo en reposo.
a.     ¿Qué energía  potencial tendrá la cuarta masa?
b.     Si se traslada al infinito, y allí permanece en reposo, ¿qué trabajo debemos hacer contra el campo? G=6.67·10-11Nm2/Kg2
[0,5 croquis; 0,5 uso de unidades; 0,5 escribe las ecuaciones y despeja antes de sustituir, 0,5 cada solución]

Hemos intentado que el tamaño de las círculos que simbolizan las masas tengan la información de la cuantía de ella.
Al ser un triángulo rectángulo, las tres masas de los vértices están a la misma distancia de la situada en el centro del triángulo. Esta distancia la podemos calcular por medio del Teorema de Pitágoras.

r=2/3 Bisectriz
Bisectriz2=L2-(L/2)2=3/4L2

r=2/3Bisectriz=(2/3)(raíz(3)/2)L=L/raíz(3)=11,54m

La energía potencial de la masa M en el centro del triángulo será igual a la suma de las energía potenciales:

U=U1+U2+U3=-GMM1/r-GMM2/r-GMM3/r=-GM(M1+M2+M3)/r=
=-6.67·10-11Nm2/Kg2·25·1012(50+50+100)·1012Kg/11,54m=-3.18·1016J

Para calcular el trabajo que hace el campo para trasladar la masa desde ese punto al infinito, donde U=0J, sabemos que:
W=-∆U=-(U-Utri)=-(0+3.18·1012J)=-3.18·1012J

El trabajo que haremos nosotros será el mismo que el campo, pero cambiado de signo:
Wnuestro=+3.18·1012J





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