Bloque 1: Campo gravitatorio — Herramientas comunes: vectores, dimensiones y gráficas
Antes de estudiar satélites y órbitas necesitas cuatro herramientas que salen en todos los bloques: vectores, producto vectorial, análisis dimensional y linealización de gráficas. Con ellas escribirás bien las fuerzas, comprobarás tus fórmulas y sacarás constantes a partir de datos de laboratorio.
Vectores, componentes y vectores unitarios
Un vector es una magnitud con módulo, dirección y sentido. Fuerza, velocidad y campo son vectores. Masa, energía y tiempo son escalares: solo tienen valor numérico.
Un vector se escribe con sus componentes sobre los ejes. Para ello se usan los unitarios , que señalan los ejes X, Y y Z. Así, tiene módulo .
Un vector unitario es un vector de módulo 1 que solo indica dirección. Se obtiene dividiendo un vector entre su módulo:
En gravitación se usa mucho . Es el unitario que va desde la masa que crea el campo hacia el punto estudiado. Las fuerzas gravitatorias apuntan al revés, hacia la masa. Por eso llevan un signo menos delante de (véase «Bloque 1: Campo gravitatorio — Leyes de Kepler y ley de gravitación universal»).
Una masa está en el origen y el punto P en (3, 4) m. El vector de la masa a P es m, de módulo 5 m. Entonces . Comprueba: .
El producto escalar de dos vectores da un número. Se calcula componente a componente o con el ángulo que forman:
Se usa para el trabajo, . Si los vectores son perpendiculares, el producto escalar vale cero.
Producto vectorial: determinante y mano derecha
El producto vectorial da otro vector. Es perpendicular a los dos vectores de partida. Su módulo es . Aparece en el momento angular, el momento de una fuerza y, sobre todo, en el campo magnético.
Para calcularlo con componentes se usa un determinante:
- Escribe los unitarios en la primera fila y las componentes de cada vector debajo, en orden.
- Componente : tapa su fila y columna y calcula .
- Componente : lo mismo, pero cambiando el signo: .
- Componente : .
Sean y . Componente i: . Componente j: . Componente k: . Resultado: . Comprobación: , luego es perpendicular.
Si solo necesitas la dirección, usa la regla de la mano derecha. Los dedos van del primer vector al segundo por el ángulo más corto. El pulgar marca el sentido del resultado. Lo mismo indica un sacacorchos: avanza hacia donde apunta el producto. Recuerda la base: , , .
El producto vectorial no es conmutativo: . Si cambias el orden de las filas, el sentido sale al revés y la fuerza magnética apuntará mal. Otro fallo típico es olvidar el signo menos de la componente j.
Análisis dimensional
Cada magnitud se puede expresar con unas pocas magnitudes fundamentales: masa [M], longitud [L], tiempo [T] e intensidad de corriente [I]. Esa expresión es su ecuación de dimensiones. La regla básica es la homogeneidad: ambos miembros con iguales dimensiones. Los sumandos también deben tener las mismas. Así detectas fórmulas mal escritas sin hacer ningún cálculo.
| Bloque | Comprobación | Resultado |
|---|---|---|
| Gravitación | Dimensiones de G en | |
| Electromagnetismo | Carga en | |
| Ondas | , coherente | |
| Física moderna | Constante de Planck en |
¿Es correcta ? Dentro de la raíz: . La raíz da , que es una velocidad. La fórmula es homogénea.
Ojo: el análisis dimensional no detecta constantes numéricas. No distingue de . Además, los argumentos de senos, cosenos, exponenciales y logaritmos deben ser adimensionales.
Gráficas y linealización
Con dos variables medidas en el laboratorio, lo más útil es obtener una recta. Una recta se ajusta fácilmente y su pendiente da la constante buscada. Linealizar es elegir qué representar en cada eje para que la relación sea .
- Órbitas: la tercera ley de Kepler dice . Si representas frente a , sale una recta por el origen. Su pendiente es y de ahí .
- Desintegración: tomando logaritmos en queda . Al representar frente a t, la pendiente es .
La pendiente se calcula con dos puntos de la recta ajustada, no con dos datos sueltos. Y la pendiente tiene unidades: en frente a son s²/m³.
Unidades SI, prefijos y cifras significativas
Los resultados se dan en unidades del Sistema Internacional (SI): metro, kilogramo, segundo, amperio. Los prefijos indican potencias de 10 y hay que pasarlos a SI antes de operar.
| Prefijo | Símbolo | Factor |
|---|---|---|
| giga | G | |
| mega | M | |
| kilo | k | |
| mili | m | |
| micro | μ | |
| nano | n |
Las cifras significativas son las que aportan información real. El resultado no debe tener más que el dato menos preciso. Por ejemplo, m tiene 2 y un resultado de 7 cifras es incorrecto.
| Fallo | Consecuencia habitual |
|---|---|
| Resultado sin unidades o con unidades erróneas | Se penaliza aunque el número sea correcto |
| Magnitud vectorial sin flecha ni componentes | Se considera incompleta |
| Exceso de cifras significativas | Puede restar puntos |
| Operar en km o en ns sin pasar a SI | Resultado falso por potencias de 10 |
Confundir M (mega, ) con m (mili, ). Y usar la altura h del satélite como r: r es la distancia al centro, .
Ideas clave
- Un vector unitario tiene módulo 1 y se obtiene dividiendo un vector entre su módulo; va de la masa al punto.
- El producto vectorial da un vector perpendicular a ambos, se calcula con un determinante y cambia de signo al invertir el orden.
- Toda ecuación física debe ser homogénea; el análisis dimensional no detecta constantes numéricas.
- Linealizar permite obtener constantes desde la pendiente: frente a da la masa central y frente a t da .
- Se opera siempre en SI, con unidades, notación vectorial y cifras significativas adecuadas.
Pon a prueba lo aprendido
- ¿Cuánto vale k × j? — −i
- Al representar ln N frente a t, ¿qué da la pendiente? — −λ
- ¿Qué error NO detecta el análisis dimensional? — Un factor 2 olvidado
- ¿Cuánto son 3 µs en el SI? — 3·10⁻⁶ s
Bloque 1: Campo gravitatorio — Leyes de Kepler y ley de gravitación universal
Del geocentrismo a Newton: por qué importan las leyes de Kepler
Durante siglos se pensó que la Tierra estaba quieta en el centro del universo. Era el modelo geocéntrico de Aristóteles. Ptolomeo lo retocó con epiciclos, excéntricas y ecuantes. Así explicaba el movimiento retrógrado de los planetas y los cambios de su brillo, pero seguía usando solo circunferencias.
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Bloque 1: Campo gravitatorio — Intensidad del campo gravitatorio
Fuerza y campo: dos formas de describir la gravedad
La ley de gravitación universal (véase «Bloque 1: Campo gravitatorio — Leyes de Kepler y ley de gravitación universal») da la fuerza entre dos masas separadas. Pero no explica cómo una masa «nota» a otra sin tocarla. A eso se le llama acción a distancia.
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