Bloque A: Campo gravitatorio — Ley de gravitación e intensidad de campo de un planeta
La gravedad es la interacción que mantiene a los planetas en órbita y nos pega al suelo. En esta sección se estudia la fuerza entre dos masas y cómo describirla con un campo, la intensidad de campo gravitatorio, que permite comparar el peso de un objeto en distintos planetas.
1. Ley de Gravitación Universal
Newton propuso que dos cuerpos cualesquiera con masa se atraen. La intensidad de esa atracción crece con el producto de las masas y disminuye con el cuadrado de la distancia entre ellas. En forma vectorial, la fuerza que una masa ejerce sobre otra masa es:
- es la constante de gravitación universal: . Es la misma en todo el universo.
- es la distancia entre los centros de las dos masas, en metros.
- es un vector unitario (de módulo 1). Sale de la masa que crea la fuerza y apunta hacia la masa que la sufre.
Se suele llamar a la masa que «crea» y a la «afectada». Es solo una etiqueta: la fuerza es mutua.
El signo menos indica que la fuerza va al revés que , es decir, hacia la masa que atrae. Por eso la gravedad es siempre atractiva. Sus características son estas:
| Característica | Qué significa |
|---|---|
| Dirección | La recta que une los centros de las dos masas. |
| Sentido | Siempre hacia la otra masa: nunca hay repulsión. |
| Central | Apunta siempre hacia un centro fijo y su valor solo depende de la distancia a él (véase «Bloque A: Campo gravitatorio — Leyes de Kepler y momento angular»). |
| Acción y reacción | Las dos fuerzas tienen igual módulo y dirección, y sentidos opuestos. |
| A distancia | Actúa sin contacto, incluso en el vacío. |
| Muy débil | Por lo pequeño que es , solo se nota si al menos una masa es enorme (un planeta, una estrella). |
Si hay más de dos masas, la fuerza total se obtiene sumando vectorialmente las fuerzas de cada una (véase «Bloque A: Campo gravitatorio — Superposición, potencial, líneas de campo y gráficas g(r) y V(r)»).
Dos personas de 70 kg separadas 1 m se atraen con:
Es una fuerza ridícula, imposible de notar. En cambio, la Tierra atrae a cada una con unos 686 N, porque su masa es gigantesca.
2. Intensidad de campo gravitatorio
Un campo es una perturbación del espacio: una masa modifica el espacio que la rodea, y cualquier otra masa que llegue allí nota una fuerza. Así no hace falta pensar en las dos masas a la vez. Basta con saber qué «prepara» en cada punto.
La intensidad de campo gravitatorio en un punto es la fuerza por unidad de masa que sufriría una masa colocada en ese punto: . Se mide en N/kg, que equivale a m/s².
Si dividimos la ley de Newton entre , desaparece la masa afectada:
El campo solo depende de quien lo crea () y de la distancia (). Es radial, apunta hacia y disminuye con el cuadrado de la distancia. Al ser vectorial se representa con líneas de campo que convergen en la masa.
Como , cuando solo actúa la gravedad la aceleración del cuerpo es . Por eso es también la aceleración de caída libre, la misma para una pluma que para un martillo (sin aire).
Campo de un planeta
Un planeta no es puntual, pero si es esférico y su masa está bien repartida, fuera de él actúa como si toda la masa estuviera en su centro. Por eso la fórmula vale para , siendo el radio del planeta y la distancia al centro.
En la superficie, :
Esta igualdad, , es muy útil: si no te dan la masa del planeta pero sí y el radio, puedes sustituir directamente.
Con kg y m:
- Confundir h y r. es la altura sobre la superficie; es la distancia al centro. En la fórmula va siempre .
- Dejar los km. está en unidades del SI: pasa radios y alturas a metros (6370 km = m) antes de operar.
- Confundir masa y peso. La masa (kg) es la misma en cualquier planeta; el peso (N) cambia con .
3. Variación de g con la altura
Si nos alejamos de la superficie, aumenta y disminuye. Dividiendo entre , se va:
Si (alturas pequeñas frente al radio), . Por eso en la vida diaria usamos 9,8 m/s² sin problema.
- Planteamos .
- Simplificamos : , luego .
- La altura es = 6370 km. Ojo: la respuesta no es , eso es la distancia al centro.
Otro ejemplo: a 400 km de altura, m/s². Allí la gravedad sigue siendo grande; los astronautas «flotan» porque caen continuamente en su órbita, no porque falte gravedad.
4. Peso en otros planetas
A menudo un problema describe un planeta por comparación con la Tierra: masa y radio . Sustituyendo:
El peso de un cuerpo cambia en la misma proporción: . Un planeta más masivo aumenta ; uno más grande, a igual masa, la reduce, porque estamos más lejos del centro.
| Planeta hipotético | (m/s²) | Peso de 60 kg | |
|---|---|---|---|
| Tierra () | 1 | 9,8 | 588 N |
| 2 | 19,6 | 1176 N | |
| 1/4 | 2,45 | 147 N | |
| 2 | 19,6 | 1176 N | |
| 2 | 19,6 | 1176 N |
La masa (60 kg) no cambia en ninguna fila: solo cambia el peso.
5. Caída libre en otros campos
Cerca de la superficie, es casi constante y la caída es un movimiento uniformemente acelerado. Partiendo del reposo desde una altura :
Si se multiplica por un factor , la velocidad final se multiplica por y el tiempo se divide entre . Campo mayor: llega antes y más rápido.
Un objeto cae 20 m. En la Tierra: s y m/s. En un planeta con : el tiempo se duplica (unos 4,0 s) y la velocidad se reduce a la mitad (unos 9,9 m/s).
Pensar que si es 4 veces menor el tiempo es 4 veces mayor. No: como está dentro de una raíz, el tiempo solo se multiplica por .
Nos encontramos en la superficie del planeta Júpiter y al medir el peso de un melón que en la superficie de la Tierra era de 150 N, obtenemos un valor de 380 N. Calcule:
a. El valor de la aceleración de la gravedad en la superficie de Júpiter. [1 punto]
b. La masa de Júpiter. [1 punto]
(Dato necesario para b: radio de Júpiter m.)
Resolución
a) La clave es que la masa del melón no cambia. La sacamos del peso en la Tierra y con ella calculamos en Júpiter.
- Gravedad terrestre: .
- Masa del melón: .
- Gravedad en Júpiter: .
Atajo: m/s².
b) Despejamos la masa de :
Es unas 320 veces la masa terrestre, un valor razonable para Júpiter.
Un astronauta pesa 784 N en la Tierra y 132 N en la superficie de la Luna, cuyo radio es m. Calcula la gravedad lunar y la masa de la Luna.
Primeros pasos: masa del astronauta kg.
Te toca: obtener y luego .
.
.
Ideas clave
- La fuerza gravitatoria es siempre atractiva, central y va según la recta que une las masas: .
- La intensidad de campo es la fuerza por unidad de masa y fuera de un planeta vale , con medido desde el centro.
- En la superficie , de donde , y a una altura h: .
- Un planeta con y tiene ; la masa del cuerpo no cambia, el peso sí.
- En caída libre y : un campo mayor da más velocidad y menos tiempo, según la raíz.
Pon a prueba lo aprendido
- ¿De qué depende la intensidad de campo gravitatorio de un planeta en un punto exterior? — De su masa y la distancia al centro
- Un planeta tiene doble masa y doble radio que la Tierra. ¿Cuánto vale g? — 4,9 m/s²
- Un satélite está a una altura h igual al radio terrestre. ¿Cuánto vale g allí? — g₀/4
- Al viajar a un planeta con mayor g, ¿qué le pasa a tu masa? — No cambia
Bloque A: Campo gravitatorio — Superposición, potencial, líneas de campo y gráficas g(r) y V(r)
Cuando hay varias masas, cada una crea su propio campo como si las demás no existieran. El campo total en un punto es la suma de todos ellos. Esta sección explica cómo hacer esa suma con vectores (para el campo ) y con números (para el potencial ), y cómo dibujar y leer el campo.
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Bloque A: Campo gravitatorio — Energía potencial, trabajo y conservación de la energía
Fuerzas conservativas y energía potencial
Una fuerza es conservativa cuando su trabajo solo depende de las posiciones inicial y final. No importa el camino que siga la partícula entre ellas. El campo gravitatorio es conservativo.
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