Bloque 1: Interacción gravitatoria — Ley de Gravitación Universal
Dos masas cualesquiera se atraen siempre. La ley de Gravitación Universal de Newton dice cuánto vale esa atracción y hacia dónde apunta. Es el punto de partida de todo el tema: campo, energía, Kepler y satélites salen de ella.
La ley en forma escalar: el módulo de la fuerza
Si solo interesa el tamaño de la fuerza, basta con la forma escalar:
Aquí y son las masas (en kg) y es la distancia entre sus centros (en m). La fuerza sale en newtons.
- Es proporcional a cada masa: si duplicas una masa, la fuerza se duplica.
- Es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia: si la distancia se duplica, la fuerza baja a la cuarta parte.
- Las dos masas sufren fuerzas del mismo módulo y sentido contrario (tercera ley de Newton).
La constante de gravitación universal vale G = 6,67·10⁻¹¹ N·m²/kg². Es la misma en todo el universo. Su valor tan pequeño explica que la atracción entre objetos cotidianos no se note: solo es apreciable cuando al menos una masa es enorme, como un planeta.
Las unidades de G se deducen despejando: , que da .
La ley en forma vectorial: vector unitario y signo menos
La fuerza es un vector. Para dar también su dirección y sentido se escribe:
El vector unitario radial es un vector de módulo 1. Está sobre la recta que une las masas y va de la masa que crea a la que sufre la fuerza. Solo indica dirección; el tamaño lo pone el resto de la fórmula.
¿Por qué el signo menos? apunta alejándose de M. Pero la gravedad atrae: la fuerza sobre m apunta hacia M. El signo menos invierte el unitario. Así expresa el carácter atractivo de la gravedad.
Para calcular el unitario se divide el vector posición relativo entre su módulo: si va de M a m, entonces .
Una masa M = 2 kg está en el origen y m = 1 kg en el punto (3, 4) m. El vector de M a m es , de módulo . El unitario es .
Módulo: .
Vector: . Ambas componentes son negativas: la fuerza apunta hacia el origen, donde está M.
Principio de superposición: varias masas
Si una masa m está rodeada de varias masas, cada una la atrae como si las demás no existieran. La fuerza total es la suma vectorial de todas:
La clave es sumar vectores, no módulos. Dos fuerzas de 3 N en sentidos opuestos dan 0 N, no 6 N.
Procedimiento para dos o tres masas en el plano:
- Dibuja las masas y la masa problema. Dibuja cada fuerza apuntando hacia la masa que la crea.
- Haz una tabla con la distancia de cada masa y el ángulo α que forma cada fuerza con la horizontal.
- Calcula el módulo de cada fuerza con .
- Descompón: . Si la fuerza va hacia , cambia el signo del coseno; si va hacia , el del seno.
- Suma por separado todas las componentes x y todas las y.
- Da el resultado en forma vectorial y, si lo piden, su módulo .
m = 1 kg en el origen. M₁ = 4 kg en (2, 0) m y M₂ = 9 kg en (0, −3) m.
| Masa | Distancia | Sentido de la fuerza sobre m | α |
|---|---|---|---|
| M₁ = 4 kg | 2 m | 0° | |
| M₂ = 9 kg | 3 m | 90° |
Módulos: y .
Suma: . Módulo: . Sumando módulos habríamos obtenido 13,34·10⁻¹¹ N, que es falso.
- Unitario al revés: si tomas de la masa que sufre hacia la que crea y además pones el signo menos, la fuerza sale repulsiva. Comprueba siempre que la fuerza apunta hacia la masa que atrae.
- Sumar módulos: solo vale si todas las fuerzas van en la misma dirección y sentido. Descompón siempre.
- Olvidar la notación vectorial: en la PAU de Canarias se resta 0,1 p por omitir el carácter vectorial. También por faltar unidades, por errores de prefijos y por no redondear a dos decimales.
«Menos, porque atrae»: el unitario sale de la masa que crea y el signo menos lo devuelve hacia ella.
Ideas clave
- El módulo de la atracción gravitatoria es , con G = 6,67·10⁻¹¹ N·m²/kg².
- En forma vectorial , con el unitario dirigido de la masa que crea a la que sufre la fuerza.
- El signo menos expresa que la gravedad siempre es atractiva.
- Con varias masas, la fuerza total es la suma vectorial de las fuerzas individuales (superposición).
- Se suman componentes x e y por separado; nunca se suman módulos de fuerzas no alineadas.
Pon a prueba lo aprendido
- ¿Por qué aparece un signo menos en la ley vectorial de gravitación? — Porque la fuerza es atractiva
- Si se duplican ambas masas y la distancia, ¿cómo cambia F? — Se mantiene igual
- Dos fuerzas perpendiculares de 3 N y 4 N actúan sobre una masa. ¿Fuerza total? — 5 N
- ¿Hacia dónde va el vector unitario radial en la ley de Newton? — De la masa que crea a la que sufre
Bloque 1: Interacción gravitatoria — Campo gravitatorio
Qué es un campo gravitatorio
Una masa no necesita tocar a otra para atraerla. La física explica esta acción a distancia con la idea de campo: una región del espacio en la que cada punto tiene asignada una propiedad física medible.
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Bloque 1: Interacción gravitatoria — Fuerzas centrales, conservativas y energía potencial
Fuerza central y fuerza conservativa
Una fuerza central es la que, en cada punto, apunta hacia un punto fijo (o en sentido contrario) y cuyo módulo solo depende de la distancia a ese punto. La gravitatoria lo es: la masa atrae a a lo largo de la recta que las une, con un módulo que solo depende de (véase «Bloque 1: Interacción gravitatoria — Ley de Gravitación Universal»).
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