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La interacción · La gravitación

El concepto de peso

En la feria de ciencias de su establecimiento en Quetzaltenango, Ixchel 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 $9.8$.

La gravedad es una magnitud derivada: no tiene una unidad propia, sino que se obtiene combinando magnitudes fundamentales. Una aceleración es una longitud entre un tiempo al cuadrado, así que sus dimensiones son $L\cdot T^{-2}$ y su unidad es $\text{m/s}^2$.

En la vida diaria también se usa el kilogramo fuerza: $1\ \text{kgf} \approx 9.8\ \text{N}$ es lo que pesa 1 kg de masa en la Tierra. El peso mide la interacción gravitatoria entre el astro y el cuerpo.

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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 $P = m\times g$, 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 $P = m\times g$, tomando $g = 9.8\ \text{m/s}^2$.

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Una persona tiene una masa de $75\ \text{kg}$. a) Haz una estimación rápida de su peso tomando $g \approx 10\ \text{m/s}^2$. b) Refina el resultado con el valor exacto…

Una persona tiene una masa de $75\ \text{kg}$.

  1. a) Haz una estimación rápida de su peso tomando $g \approx 10\ \text{m/s}^2$.
  2. b) Refina el resultado con el valor exacto $g = 9.8\ \text{m/s}^2$.
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Un saco de cemento pesa $196\ \text{N}$ en la Tierra ($g = 9.8\ \text{m/s}^2$). Despeja la masa de la expresión $P = m\times g$ y calcúlala.

Un saco de cemento pesa $196\ \text{N}$ en la Tierra ($g = 9.8\ \text{m/s}^2$). Despeja la masa de la expresión $P = m\times g$ y calcúlala.

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El valor $g = 9.8\ \text{m/s}^2$ también se expresa como $9.8\ \text{N/kg}$. Explica con tus palabras qué significa que «cada kilogramo pesa $9.8\ \text{N}$» y calcula…

El valor $g = 9.8\ \text{m/s}^2$ también se expresa como $9.8\ \text{N/kg}$. Explica con tus palabras qué significa que «cada kilogramo pesa $9.8\ \text{N}$» y calcula el peso de una caja con $12\ \text{kg}$ de naranjas.

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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 los cuatro neumáticos?
  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: 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.

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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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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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En un módulo lunar, un dinamómetro marca $16\ \text{N}$ al colgar de él una roca ($g_{\text{Luna}} = 1.6\ \text{m/s}^2$), como se muestra en la figura. a) ¿Qué masa…

En un módulo lunar, un dinamómetro marca $16\ \text{N}$ al colgar de él una roca ($g_{\text{Luna}} = 1.6\ \text{m/s}^2$), como se muestra en la figura.

16 N m = ? en la Luna: g = 1.6 m/s²
  1. a) ¿Qué masa tiene la roca?
  2. b) ¿Cuánto marcaría el mismo dinamómetro con la misma roca en la Tierra ($g = 9.8\ \text{m/s}^2$)?
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Una pesa de baño marca $55\ \text{kg}$ cuando se sube una persona. En realidad, la pesa mide la fuerza con la que la persona la empuja y la convierte a kilogramos…

Una pesa de baño marca $55\ \text{kg}$ cuando se sube una persona. En realidad, la pesa mide la fuerza con la que la persona la empuja y la convierte a kilogramos suponiendo que $g = 9.8\ \text{m/s}^2$.

  1. a) ¿Qué fuerza, en newtons, está midiendo la pesa?
  2. b) Si llevamos esa pesa a la Luna ($g = 1.6\ \text{m/s}^2$), ¿qué fuerza mediría con la misma persona?
  3. c) ¿Qué «masa» marcaría entonces la pesa, que sigue convirtiendo con $g = 9.8\ \text{m/s}^2$?
  4. d) Explica por qué la pesa se equivoca en la Luna aunque la persona no haya cambiado.
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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 gravitatorio 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.

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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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El rover de una misión a Marte tiene una masa de $200\ \text{kg}$, como se muestra en la figura. a) Calcula su peso en la Tierra ($g = 9.8\ \text{m/s}^2$). b) Calcula su…

El rover de una misión a Marte tiene una masa de $200\ \text{kg}$, como se muestra en la figura.

Tierra g = 9.8 m/s² Marte g = 3.7 m/s² m = 200 kg m = 200 kg P = ? P = ?
  1. a) Calcula su peso en la Tierra ($g = 9.8\ \text{m/s}^2$).
  2. b) Calcula su peso en Marte ($g = 3.7\ \text{m/s}^2$).
  3. c) ¿En cuántos newtons se «aligera» el rover al viajar a Marte? ¿Ha cambiado su masa? Justifícalo.
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A $400\ \text{km}$ de altura, donde orbita la Estación Espacial Internacional, la gravedad terrestre vale todavía $g \approx 8.7\ \text{m/s}^2$. a) Calcula el peso real…

A $400\ \text{km}$ de altura, donde orbita la Estación Espacial Internacional, la gravedad terrestre vale todavía $g \approx 8.7\ \text{m/s}^2$.

  1. a) Calcula el peso real de un astronauta de $70\ \text{kg}$ a esa altura.
  2. b) Compáralo con su peso en la superficie de la Tierra ($g = 9.8\ \text{m/s}^2$).
  3. c) Si en la estación pesa casi lo mismo que en el suelo, ¿por qué flota dentro de la nave? Explícalo pensando en cómo se mueve la estación alrededor de la Tierra.
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Comparar el peso sin recalcularlo todo

Hay dos formas de comparar pesos: calcular cada uno con $P = m\,g$, o usar solo el cociente de gravedades. La segunda es más rápida.

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 pesas $2.5$ veces más que en la Tierra, su gravedad es $2.5$ veces la terrestre.

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¿Cuántas personas de $70\ \text{kg}$ tendrían que subir juntas a una plataforma para igualar el peso de un carro de $1400\ \text{kg}$? Resuélvelo primero comparando…

¿Cuántas personas de $70\ \text{kg}$ tendrían que subir juntas a una plataforma para igualar el peso de un carro de $1400\ \text{kg}$? Resuélvelo primero comparando masas y compruébalo después con los pesos, tomando $g \approx 10\ \text{m/s}^2$.

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La altura que alcanza un salto vertical con velocidad inicial $v_0$ es $h = \frac{v_0^2}{2\times g}$. 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 $h = \frac{v_0^2}{2\times g}$. 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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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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Vuelve a la pregunta de Ixchel: 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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