Ejercicios: La ley de la gravitación universal

Dos bolas de acero de $1\ \text{kg}$ cada una están colocadas de modo que sus centros distan $1\ \text{m}$, como se muestra en la figura.

Aplica la ley de la gravitación universal, $F = G\cdot\frac{M\cdot m}{r^2}$, con $G = 6,67\cdot10^{-11}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2$, y calcula la fuerza con la que se atraen. ¿Te parece una fuerza grande o pequeña? Coméntalo.

En la ley de la gravitación universal, $F = G\cdot\frac{M\cdot m}{r^2}$:

1. a) Indica qué representa cada letra ($F$, $G$, $M$, $m$ y $r$) y en qué unidad se mide en el Sistema Internacional.
2. b) El valor de $G$ es $6,67\cdot10^{-11}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2$, un número muy pequeño. Explica qué consecuencia tiene eso para la fuerza entre objetos de masa normal.

Dos compañeros de clase, de $60\ \text{kg}$ y $70\ \text{kg}$ de masa, están sentados de modo que sus cuerpos distan $1\ \text{m}$ por término medio. Calcula la fuerza de atracción gravitatoria entre ellos ($G = 6,67\cdot10^{-11}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2$) y exprésala en notación científica.

Dos cuerpos se atraen con una fuerza $F$, como muestra la gráfica de la fuerza en función de la distancia.

Sin cambiar las masas, los alejamos hasta que la distancia entre ellos sea el doble. Mirando la fórmula $F = G\cdot\frac{M\cdot m}{r^2}$, ¿cuánto valdrá ahora la fuerza? Justifícalo.

Dos asteroides se atraen con una fuerza $F$.

1. a) Si uno de ellos tuviera el doble de masa, ¿cuál sería la nueva fuerza?
2. b) ¿Y si los dos tuvieran el doble de masa?

Razona ambas respuestas con la fórmula de la gravitación universal.

Calcula la fuerza con la que la Tierra atrae a una persona de $50\ \text{kg}$ situada en su superficie, como se muestra en la figura.

Datos: masa de la Tierra $M = 5,97\cdot10^{24}\ \text{kg}$, radio terrestre $r = 6,37\cdot10^{6}\ \text{m}$ y $G = 6,67\cdot10^{-11}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2$. Compara el resultado con su peso, $P = m\cdot g$ con $g = 9,8\ \text{m/s}^2$: ¿qué observas?

Un libro y la estantería en la que está apoyado se atraen gravitatoriamente, igual que la Tierra y la Luna. Sin embargo, nunca vemos que el libro se mueva hacia la estantería. Pensando en el valor de $G$, en las masas de los objetos y en la fórmula $F = G\cdot\frac{M\cdot m}{r^2}$, explica por qué no notamos la atracción gravitatoria entre los objetos cotidianos.

Cuando se te cae un bolígrafo, la Tierra lo atrae hacia abajo; pero, según la ley de la gravitación universal, el bolígrafo también atrae a la Tierra con una fuerza del mismo valor.

1. a) ¿Por qué solo vemos moverse al bolígrafo y no a la Tierra subiendo a su encuentro?
2. b) Razónalo teniendo en cuenta las masas de ambos cuerpos y la aceleración que la misma fuerza produce en cada uno.

Calcula la fuerza de atracción gravitatoria entre la Tierra y la Luna, como se muestra en la figura.

Datos: masa de la Tierra $M_T = 5,97\cdot10^{24}\ \text{kg}$, masa de la Luna $M_L = 7,35\cdot10^{22}\ \text{kg}$, distancia media entre sus centros $r = 3,84\cdot10^{8}\ \text{m}$ y $G = 6,67\cdot10^{-11}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2$. Expresa el resultado en notación científica, redondeando a dos cifras decimales.

El Sol mantiene a la Tierra en órbita atrayéndola. Calcula esa fuerza con los siguientes datos: masa del Sol $M_S = 1,99\cdot10^{30}\ \text{kg}$, masa de la Tierra $M_T = 5,97\cdot10^{24}\ \text{kg}$, distancia media entre sus centros $r = 1,5\cdot10^{11}\ \text{m}$ y $G = 6,67\cdot10^{-11}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2$. Después, compara el resultado con la fuerza Tierra–Luna, de unos $2\cdot10^{20}\ \text{N}$: ¿cuántas veces mayor es?

Dos petroleros gemelos, de $10^{6}\ \text{kg}$ de masa cada uno, fondean con sus centros de masa separados $100\ \text{m}$.

1. a) Calcula la fuerza gravitatoria con la que se atraen ($G = 6,67\cdot10^{-11}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2$).
2. b) Compara esa fuerza con la que hace falta para arrastrar una hoja de papel por la mesa, del orden de $0,01\ \text{N}$. ¿Notarán los barcos esa atracción? Justifícalo.

Dos cuerpos se atraen con una fuerza $F$.

1. a) Si la distancia entre ellos se triplica, ¿en qué factor cambia la fuerza?
2. b) Si, además de triplicar la distancia, se duplica cada una de las dos masas, ¿en qué factor cambia la fuerza total?

Justifica cada apartado con la fórmula $F = G\cdot\frac{M\cdot m}{r^2}$.

Un satélite geoestacionario de $1000\ \text{kg}$ orbita a una distancia del centro de la Tierra de $r = 4,22\cdot10^{7}\ \text{m}$, como se muestra en la figura.

1. a) Calcula la fuerza con la que la Tierra lo atrae (masa de la Tierra $M_T = 5,97\cdot10^{24}\ \text{kg}$, $G = 6,67\cdot10^{-11}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2$).
2. b) Compara esa fuerza con el peso del satélite cuando estaba en la superficie, $P = m\cdot g$ con $g = 9,8\ \text{m/s}^2$: ¿cuántas veces menor es, aproximadamente?

Dos esferas metálicas idénticas, colocadas con sus centros a $2\ \text{m}$ de distancia, se atraen con una fuerza de $6,67\cdot10^{-5}\ \text{N}$.

1. a) Escribe la ley de la gravitación universal llamando $m$ a la masa de cada esfera (¡las dos son iguales!).
2. b) Despeja $m$ de la fórmula y calcula la masa de cada esfera ($G = 6,67\cdot10^{-11}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2$).

Un satélite de $500\ \text{kg}$ está en la superficie de la Tierra, donde el planeta lo atrae con una fuerza de $4900\ \text{N}$, como se muestra en la figura.

1. a) Razonando con el factor $\frac{1}{r^2}$ de la ley de gravitación, ¿con qué fuerza lo atraerá la Tierra cuando orbite a una distancia del centro del planeta igual al doble del radio terrestre?
2. b) Si el radio de la Tierra es $R_T = 6,37\cdot10^{6}\ \text{m}$, ¿a qué altura sobre la superficie estará entonces el satélite?

Calcula la fuerza gravitatoria entre una persona de $80\ \text{kg}$ y un camión de $5000\ \text{kg}$ aparcado a $10\ \text{m}$ de distancia ($G = 6,67\cdot10^{-11}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2$). Después, calcula el peso de un mosquito de $2\ \text{mg}$ de masa ($P = m\cdot g$, con $g = 9,8\ \text{m/s}^2$; cuidado con las unidades) y compara ambas fuerzas. ¿Qué conclusión sacas sobre la atracción gravitatoria entre objetos cotidianos?

Vamos a deducir el valor de $g$ en la superficie de la Tierra a partir de la ley de la gravitación universal.

1. a) Escribe la fuerza que la Tierra ejerce sobre un cuerpo de masa $m$ de dos formas: como $F = m\cdot g$ y como $F = G\cdot\frac{M\cdot m}{r^2}$.
2. b) Iguala las dos expresiones, simplifica la masa $m$ y despeja $g$.
3. c) Calcula su valor con $M = 5,97\cdot10^{24}\ \text{kg}$, $r = 6,37\cdot10^{6}\ \text{m}$ y $G = 6,67\cdot10^{-11}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2$. ¿Qué valor tan conocido obtienes?

Dos masas fijas, de $100\ \text{kg}$ y $400\ \text{kg}$, están separadas $3\ \text{m}$. Queremos colocar una tercera masa en la línea que las une, entre ambas, de modo que la fuerza gravitatoria neta sobre ella sea cero, como se muestra en la figura.

1. a) Si $x$ es la distancia de la tercera masa a la de $100\ \text{kg}$, escribe la igualdad entre las dos fuerzas que actúan sobre ella.
2. b) Resuelve la ecuación y calcula $x$ (pista: simplifica primero $G$ y la tercera masa, y después toma raíces cuadradas).
3. c) ¿Depende el resultado del valor de la tercera masa? ¿Y de $G$? Coméntalo.

¿A qué distancia del centro de la Tierra la fuerza gravitatoria sobre un cuerpo se reduce a la mitad de la que siente en la superficie?

1. a) Plantea la igualdad usando que la fuerza disminuye con $\frac{1}{r^2}$.
2. b) Despeja $r$ en función del radio terrestre $R_T$ (te aparecerá un $\sqrt{2}$).
3. c) Con $R_T = 6370\ \text{km}$, calcula a qué altura sobre la superficie hay que subir, en kilómetros. ¿Crees que un avión comercial, que vuela a unos $10\ \text{km}$ de altura, nota esa disminución? Razona la respuesta.

El Sol atrae a la Luna, y también lo hace la Tierra. Calcula las dos fuerzas sobre la Luna con estos datos: masa del Sol $M_S = 1,99\cdot10^{30}\ \text{kg}$, masa de la Tierra $M_T = 5,97\cdot10^{24}\ \text{kg}$, masa de la Luna $M_L = 7,35\cdot10^{22}\ \text{kg}$, distancia Sol–Luna $\approx 1,5\cdot10^{11}\ \text{m}$, distancia Tierra–Luna $r = 3,84\cdot10^{8}\ \text{m}$ y $G = 6,67\cdot10^{-11}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2$.

1. a) ¿Cuántas veces mayor es la atracción del Sol sobre la Luna que la de la Tierra?
2. b) Si el Sol tira de la Luna con más fuerza, ¿por qué la Luna sigue girando alrededor de la Tierra en lugar de salir hacia el Sol? Pista: piensa a qué otros cuerpos atrae también el Sol al mismo tiempo.

Un exoplaneta rocoso tiene el cuádruple de masa que la Tierra y el doble de radio, como se muestra en la figura.

1. a) Usando $g = \frac{G\cdot M}{R^2}$, razona en qué factor cambia la gravedad en su superficie respecto de la terrestre.
2. b) ¿Cuánto pesaría allí una astronauta de $60\ \text{kg}$ (toma la gravedad terrestre como $9,8\ \text{m/s}^2$)?
3. c) ¿Y si el planeta tuviera el cuádruple de masa pero el mismo radio que la Tierra? Calcula el nuevo peso de la astronauta.

Newton comprobó su ley comparando la caída de los objetos en la superficie con el movimiento de la Luna.

1. a) Calcula la fuerza que la Tierra ejerce sobre un cuerpo de $1\ \text{kg}$ en su superficie ($r = 6,37\cdot10^{6}\ \text{m}$, $M_T = 5,97\cdot10^{24}\ \text{kg}$, $G = 6,67\cdot10^{-11}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2$).
2. b) Calcula la fuerza que ejercería sobre ese mismo cuerpo si estuviera a la distancia de la Luna ($r = 3,84\cdot10^{8}\ \text{m}$).
3. c) Comprueba que la segunda fuerza es unas $3600$ veces menor y relaciona ese número con el cociente entre las dos distancias, que es de unos $60$. ¿Qué ley queda confirmada?

Imagina que la Tierra se comprimiera hasta quedarse con la mitad de radio, conservando toda su masa.

1. a) Razonando con $g = \frac{G\cdot M}{R^2}$, ¿en qué factor cambiaría la gravedad en su superficie?
2. b) ¿Cuánto pesaría entonces una persona de $70\ \text{kg}$? (Toma la $g$ actual como $9,8\ \text{m/s}^2$.)
3. c) Comenta una consecuencia que tendría este cambio para la vida en ese mundo.

Una nave viaja en línea recta de la Tierra a la Luna. Hay un punto del trayecto en el que las atracciones gravitatorias de ambas se compensan, como se muestra en la figura.

1. a) Si $x$ es la distancia de la nave al centro de la Tierra, plantea la igualdad entre las fuerzas que la Tierra y la Luna ejercen sobre la nave (distancia Tierra–Luna: $3,84\cdot10^{8}\ \text{m}$; $M_T = 5,97\cdot10^{24}\ \text{kg}$; $M_L = 7,35\cdot10^{22}\ \text{kg}$).
2. b) Comprueba numéricamente que la igualdad se cumple para $x \approx 3,46\cdot10^{8}\ \text{m}$.
3. c) Ese punto está a un $90\ \%$ del camino total. Explica, pensando en las masas de la Tierra y de la Luna, por qué está tan cerca de esta.