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Décimo 10° · Física
La interacción · La gravitación

El concepto de peso

En la feria de ciencias de su colegio en Bogotá, Valentina pregunta: un astronauta de 70 kg pesa unos $686\ \text{N}$ en la Tierra, pero en la Luna, con exactamente la misma masa, un dinamómetro marcaría solo unos $112\ \text{N}$. ¿Cómo es posible si nada de su cuerpo cambió? Lo que cambia es el astro que tira de él, y eso es precisamente lo que mide el peso.

El peso: un caso particular de la gravitación

Al soltar una manzana y una piedra, la Tierra tira de ambas hacia el suelo con una fuerza proporcional a su masa, y las dos caen con la misma aceleración, $9{,}8\ \text{m/s}^2$. ¿Cómo se conecta esta fuerza cotidiana con la ley de gravitación de Newton que mantiene a los planetas en órbita?

Cuerpo de masa m sobre la superficie de un planeta de masa M y radio R: el peso P es una fuerza vertical dirigida hacia el centro del planeta R m P planeta (M, R) P = m·g, hacia el centro del planeta g = G·M/R²

Otra forma de leer $g$: como $9{,}8\ \text{m/s}^2 = 9{,}8\ \text{N/kg}$, significa que cada kilogramo de masa pesa $9{,}8\ \text{N}$ en la Tierra. Si necesitas una estimación rápida, puedes usar $g \approx 10\ \text{m/s}^2$ y después refinar con $9{,}8$.

En la vida diaria se dice «peso 60 kilos» cuando se quiere decir masa. En física, el peso se mide en newtons: 1 kg de masa pesa $9{,}8\ \text{N}$ en la Tierra. El peso mide la interacción gravitacional entre el astro y el cuerpo.

Practica★☆☆Sin empezar
Una mochila cargada de libros tiene una masa de $6\ \text{kg}$, como se muestra en la figura. Calcula su peso en la Tierra con $P = m\cdot g$, tomando…

Una mochila cargada de libros tiene una masa de $6\ \text{kg}$, como se muestra en la figura.

m = 6 kg P = ? g = 9,8 m/s²

Calcula su peso en la Tierra con $P = m\cdot g$, tomando $g = 9,8\ \text{m/s}^2$.

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Un bulto de cemento pesa $196\ \text{N}$ en la Tierra ($g = 9,8\ \text{m/s}^2$). Despeja la masa de la expresión $P = m\cdot g$ y calcúlala.

Un bulto de cemento pesa $196\ \text{N}$ en la Tierra ($g = 9,8\ \text{m/s}^2$). Despeja la masa de la expresión $P = m\cdot g$ y calcúlala.

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Un carro de $1200\ \text{kg}$ de masa lleva a cuatro pasajeros de $70\ \text{kg}$ cada uno. Toma $g \approx 10\ \text{m/s}^2$. a) ¿Cuál es la masa total del conjunto? b)…

Un carro de $1200\ \text{kg}$ de masa lleva a cuatro pasajeros de $70\ \text{kg}$ cada uno. Toma $g \approx 10\ \text{m/s}^2$.

  1. a) ¿Cuál es la masa total del conjunto?
  2. b) ¿Qué peso total soportan entre las cuatro llantas?
  3. c) ¿Cuántos newtons de peso añade cada pasajero?
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Masa constante, peso variable

Un astronauta en órbita flota, pero si empuja un módulo de $500\ \text{kg}$ necesita casi la misma fuerza para ponerlo en movimiento que en la Tierra. ¿Qué magnitud cambia con el lugar y cuál permanece constante?

Un cuerpo de 6 kg tiene masa constante pero pesa 58,8 N en la Tierra y 9,6 N en la Luna, representado con flechas de distinta longitud Tierra m = 6 kg P = 58,8 N Luna m = 6 kg P = 9,6 N

Los instrumentos lo confirman. Con un dinamómetro colgado de un soporte y la bolsa de papas en el gancho, se lee el peso en newtons; con una balanza de platillos se lee la masa en kg. Una balanza de platillos compara masas (el astro atrae por igual a ambos platillos), así que marca lo mismo en cualquier lugar. Un dinamómetro mide la fuerza con que se estira un resorte, es decir, el peso, y cambia con $g$. Una balanza de baño es en realidad un medidor de fuerza que convierte a kilogramos suponiendo $g = 9{,}8\ \text{m/s}^2$: en la Luna daría una «masa» equivocada.

Practica★☆☆Sin empezar
Un astronauta con todo su equipo tiene una masa de $90\ \text{kg}$ y se encuentra en la Luna, donde $g = 1,6\ \text{m/s}^2$. Calcula su peso allí. ¿Ha cambiado su masa…

Un astronauta con todo su equipo tiene una masa de $90\ \text{kg}$ y se encuentra en la Luna, donde $g = 1,6\ \text{m/s}^2$. Calcula su peso allí. ¿Ha cambiado su masa respecto de la que tenía en la Tierra? Justifícalo.

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Practica★☆☆Sin empezar
Di si cada una de estas frases habla de masa o de peso y corrige las que estén mal dichas: a) «Esta sandía pesa $4\ \text{kg}$». b) «Mi masa es de $540\ \text{N}$». c)…

Di si cada una de estas frases habla de masa o de peso y corrige las que estén mal dichas:

  1. a) «Esta sandía pesa $4\ \text{kg}$».
  2. b) «Mi masa es de $540\ \text{N}$».
  3. c) «Con el dinamómetro medimos la masa en newtons».
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En el laboratorio quieres medir la masa y el peso de una bolsa de papas. a) ¿Qué instrumento usarías para cada magnitud y en qué unidad darías cada resultado? b) Dibuja…

En el laboratorio quieres medir la masa y el peso de una bolsa de papas.

  1. a) ¿Qué instrumento usarías para cada magnitud y en qué unidad darías cada resultado?
  2. b) Dibuja en tu cuaderno el montaje que harías con un dinamómetro para medir el peso.

Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.

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El peso en otros astros: primero g, después P

Para calcular el peso en otro astro hay dos pasos: primero obtener la gravedad $g$ de ese astro con $g = G M/R^2$, y después aplicar $P = m\,g$. Explora cómo cambia el campo gravitacional según la masa de la fuente:

La gravedad también disminuye al alejarte de la superficie, porque la distancia al centro pasa de $R$ a $R + h$: $g(h) = \dfrac{G M}{(R + h)^2}$. A $400\ \text{km}$ de altura (la Estación Espacial Internacional) $g$ baja solo a unos $8{,}7\ \text{m/s}^2$, apenas un 11 %. Los astronautas flotan allí no porque no haya gravedad, sino porque la estación y ellos están en caída libre alrededor de la Tierra: caen juntos, así que nada empuja contra el piso. Y en la Tierra misma, $g$ varía un poco: $9{,}83\ \text{m/s}^2$ en los polos y $9{,}78\ \text{m/s}^2$ en el ecuador.

Practica★☆☆Sin empezar
Una sonda espacial de $15\ \text{kg}$ llega a Júpiter, donde $g = 24,8\ \text{m/s}^2$. Calcula su peso allí y compáralo con su peso en la Tierra (…

Una sonda espacial de $15\ \text{kg}$ llega a Júpiter, donde $g = 24,8\ \text{m/s}^2$. Calcula su peso allí y compáralo con su peso en la Tierra ($g = 9,8\ \text{m/s}^2$): ¿cuántos newtons pesa de más?

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Comparar el peso sin recalcularlo todo

Peso de un mismo cuerpo en la Tierra, Marte y la Luna: flechas verticales, grande en la Tierra, media en Marte y pequeña en la Luna m P Tierra: P grande m P Luna: P pequeño m P Marte: P medio

Esto sirve también para otras comparaciones: un salto vertical con velocidad inicial $v_0$ alcanza $h = \dfrac{v_0^2}{2g}$, así que la altura es inversamente proporcional a $g$. Y si te dicen que en un mundo pesás $2{,}5$ veces más que en la Tierra, su gravedad es $2{,}5$ veces la terrestre.

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La altura que alcanza un salto vertical con velocidad inicial $v_0$ es $h = \frac{v_0^2}{2\cdot g}$. Un atleta se impulsa con $v_0 = 3\ \text{m/s}$, como se muestra en…

La altura que alcanza un salto vertical con velocidad inicial $v_0$ es $h = \frac{v_0^2}{2\cdot g}$. Un atleta se impulsa con $v_0 = 3\ \text{m/s}$, como se muestra en la figura.

Tierra Luna v₀ = 3 m/s v₀ = 3 m/s h = ? h = ?
  1. a) ¿Qué altura alcanza en la Tierra ($g = 9,8\ \text{m/s}^2$)?
  2. b) ¿Qué altura alcanzaría en la Luna ($g = 1,6\ \text{m/s}^2$)?
  3. c) ¿Cuántas veces más alto salta en la Luna? Relaciona ese factor con el cociente entre las dos gravedades.
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Practica★★★Sin empezar
Un astronauta de $60\ \text{kg}$ viaja por el Sistema Solar y observa que en uno de los mundos que visita pesa unas $2,5$ veces más que en la Tierra. a) ¿Cuánto pesa en…

Un astronauta de $60\ \text{kg}$ viaja por el Sistema Solar y observa que en uno de los mundos que visita pesa unas $2,5$ veces más que en la Tierra.

  1. a) ¿Cuánto pesa en la Tierra ($g = 9,8\ \text{m/s}^2$)?
  2. b) ¿Qué valor tiene, aproximadamente, la $g$ de ese mundo?
  3. c) Con esta lista, deduce de qué mundo se trata: Luna $1,6\ \text{m/s}^2$, Marte $3,7\ \text{m/s}^2$, Venus $8,9\ \text{m/s}^2$ y Júpiter $24,8\ \text{m/s}^2$.
  4. d) Calcula su peso exacto en ese mundo.
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Practica★★★Sin empezar
Una grúa puede ejercer una fuerza máxima de $20\,000\ \text{N}$. a) ¿Qué masa máxima puede levantar en la Tierra ($g = 9,8\ \text{m/s}^2$)? b) ¿Qué masa máxima podría…

Una grúa puede ejercer una fuerza máxima de $20\,000\ \text{N}$.

  1. a) ¿Qué masa máxima puede levantar en la Tierra ($g = 9,8\ \text{m/s}^2$)?
  2. b) ¿Qué masa máxima podría levantar en la Luna ($g = 1,6\ \text{m/s}^2$)?
  3. c) Un anuncio afirma: «Nuestra grúa levantaría en la Luna seis veces más masa que en la Tierra». Comprueba con tus resultados si la afirmación es correcta y justifícalo.
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Vuelve a la pregunta de Valentina: el astronauta de 70 kg pesa $70 \times 9{,}8 = 686\ \text{N}$ en la Tierra y $70 \times 1{,}6 = 112\ \text{N}$ en la Luna. Su masa no cambió; cambió la $g$ del astro que lo atrae.

Resumen

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