martes, 2 de noviembre de 2021

SOLUCIÓN EXAMEN CAMPO GRAVITATORIO, 2º BACHILLERATO

1.      Dibuja las líneas de campo gravitatorio, no olvides indicar el sentido de las mismas, alrededor de una masa puntual de tal forma que el flujo que genere cuando la masa la encerremos en una esfera sea de 8 líneas. (1 punto)



Las líneas del campo gravitatorio siempre acaban en las masas. En este caso como necesitamos un flujo neto de 8 líneas, dibujamos 8 líneas. Es lo más fácil.



2.      Dos planetas de masas 4·1025 Kg y 2·1024 Kg se encuentran separados por 80 millones de Km.

a)     Calcula el lugar donde el campo gravitatorio se anula entre ambos.

b)     Calcula la fuerza que sufriría una masa de 100 Kg situada en ese punto.

c)      Calcula la energía potencial que tendría la masa anterior situada en ese punto.

d)     Calcula el trabajo mínimo que haría el campo gravitatorio para llevar esa masa hasta el infinito.

 

Hagamos un dibujo esquemático para situar el ejercicio, a la izquierda el planeta de mayor masa “M”, y a la derecha el de menor masa “m”. El punto marcado con X es donde supuestamente se anula el campo, por hipótesis.

Siendo g1 y g2 los campos magnéticos creados por M y m respectivamente.

Es obvio que a+b=D. Ahora planteamos que el campo magnético en ese lugar sea cero, para ello los campos creados por cada masa deben ser de igual módulo y sentido opuesto.  

g1=g2                           GM/a2 =Gm/b2                  Eliminamos G, y quitamos los denominadores.

M·b2 =m·a2      Y ahora hacemos la raíz de los dos lados de la igualdad para eliminar los cuadrados.

RAIZ(M)·b =RAIZ(m)·a          Ya sólo falta poner b en función de a, sabiendo que a+b=D

RAIZ(M)·(D-a)=RAIZ(m)·a     Despejamos a, que es la única incógnita.

RAIZ(M)·D –RAIZ(M)·a =RAIZ(m)·a

a=RAIZ(M)·D/{RAIZ(M)+RAIZ(m)}=RAIZ(4·1025Kg)·80·109m/{RAIZ(4·1025Kg)+RAIZ(2·1024Kg)=65·109 m

Es decir a 65 millones de Km de la masa mayor, y 15 millones de la menor.

LA FUERZA que sufrirá una masa cualquiera situada en ese punto es cero, porque el campo es cero; por si acaso no te has dado cuenta: F=m’·g=m’·0m/s2=0N. Siendo m’ la masa que colocamos en el punto anterior.

Una vez situado el punto, calculamos la energía potencial que adquiere la masa m’=100Kg, que recordemos es debida a la proximidad con los dos planetas, sumándose las contribuciones de ambos planetas:

U=U1+U2=-GM·m’/a – Gmm’/b=-Gm’(M/a+m/b)=

= - 6.67·10-11Nm2/Kg2·100Kg·(4·1025Kg/65·109m+2·1024Kg/15·109m)= - 4.97·106 Julios

El trabajo que haría el campo para transportar esa masa desde el punto en cuestión hasta el infinito sería la siguiente: (nótese que la energía potencial en el infinito sería cero)

W=-(Ufinal-Uinicial)=Uinicial = - 4.97·106 Julios

 

3.      El valor del campo gravitatorio terrestre es de g=9’8 m/s2, sin embargo este valor sólo es válido sobre la superficie terrestre. Esboza una gráfica mostrando como varía el valor de g a diferentes distancias de la Tierra, y comenta por qué hay distintos comportamientos.  

 

El valor de g cambia con la distancia al centro de la Tierra, pero de forma distinta si nos encontramos en el interior del planeta a si nos encontramos en el exterior. En el interior g es proporcional a la distancia al centro de la Tierra, mientras que en el exterior del planeta es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al mismo.

Esto es una consecuencia del Teorema de Gauss, que de una forma indirecta nos señala que sólo nos interesa la masa que tengamos debajo de nuestros pies, técnicamente diríamos que la masa del planeta encerrada dentro de una esfera de radio igual a la distancia que nos separa del centro del planeta. Entonces cuando estamos bajo la superficie del planeta no interviene toda la masa del planeta.

En la gráfica se representa en el eje de abcisas la distancia, y en el de ordenadas el valor del campo gravitatorio.


4.      Varias fuerzas actúan sobre una masa trasladándola de un punto a otro. Señala RAZONADAMENTE cuáles de ellas son conservativas:

a)     La fuerza “A” actúa de un punto a otro y siempre ejerce un trabajo de -150 Julios.

b)     La fuerza “B” actúa de un punto a otro, y cuando el movimiento es en línea recta el trabajo vale + 76 Julio, y en movimiento curvo +145 Julios.

c)      La fuerza “C” no ejerce trabajo neto, W=0J cuando va de un punto a otro siempre.

d)      La fuerza “D” no ejerce trabajo neto, W=0J, cuando el punto inicial y el final es el mismo siempre.

 

Una fuerza conservativa es aquella que el trabajo que ejerce en el traslado de una masa de un punto a otro no depende del camino elegido para ir de un punto a otro. Por tanto en el caso (a) Es conservativa, y en el (b) no.

Por la misma razón, el caso (c) también es de una fuerza conservativa.

Otra forma de definir una fuerza conservativa es cuando los puntos inicial y final son coincidentes, en ese caso el trabajo será cero. Este es el caso d, y que corresponde a una fuerza conservativa.

 

5.      Sobre la superficie de Marte, cuya masa es de 6’4·1023 Kg y radio 3400 Km, hay una nave que necesita despegar.

a)     ¿Cuál es la velocidad de escape de ese planeta?

b)     Un orbitador está contemplando la escena sobre el planeta, y enviando la información a la Tierra. Si orbita a 300 Km sobre la superficie de Marte, calcula su velocidad orbital supuesta órbita circular.

c)      Calcula la energía total del orbitador del apartado anterior. Masa del orbitador 100 Kg

d)     Si el planeta Marte se transformara en un agujero negro, (velocidad de la luz 3·10^8 m/s), calcula qué radio tendría. ¿Afectaría a la velocidad orbital de la nave (b)?

 

a)     La velocidad de escape depende de la distancia al centro del planeta. En el caso (a) es el radio del planeta.

Ve=RAIZ(2·G·M/d)=RAIZ(2·6.67·10-11 (Nm2/Kg2 )·6.4·1023Kg/3400000m)=5011 m/s

b)     Lo mismo hacemos con la velocidad orbital, en este caso d sería el radio del planeta más los 300 Km.

 

Vo=RAIZ(G·M/d)=RAIZ(6.67·10-11 (Nm2/Kg2 )·6.4·1023Kg/3700000m)=3396 m/s

c)     Al ser una órbita circular, la energía total es la mitad de la energía potencial:

 

E=-(1/2)G·M·m/d= - (1/2) 6.67·10-11 (Nm2/Kg2 )·6.4·1023Kg·100Kg/3700000m =

= - 0.58·109 Julios

 

d)     Despejamos de la ecuación de la velocidad de escape la distancia al centro del planeta. Ese sería el radio del planeta si se convirtiera en un agujero negro.

 

Ve2 =2GM/d

 

d=2GM/ve2=2·6.67·10-11(Nm2/Kg2 )·6.4·1023Kg/(3·108 )2(m2/s2)= 9.4·10-4 m

 

Es decir casi 1 mm, a ese tamaño se debería reducir Marte.

 

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