FICHA D1-P04
Fuera de NM

La nave que se aleja del planeta

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TipoSecundaria Dificultad Puntos7 pts Tiempo máx.14 min Media8 min Si no sabes la teoría+15 min Origen preguntaRedactado Verificación soluciónPropia sin verificar Completado con IA
Material necesario — Cuadernillo de datos: sí — energía potencial gravitatoria, Tema D.1.
Prerrequisitos
  • Energía potencial gravitatoria de una masa m en el campo de una masa M, a una distancia r de su centro: Ep = −GMm/r
  • El signo negativo indica que el sistema está "ligado": hace falta aportar energía externa para separar las masas hasta el infinito
  • El trabajo mínimo para mover una masa de un punto a otro, contra el campo, es igual al cambio de energía potencial: W = ΔEp

Una nave espacial de masa m se aleja de un planeta de masa M. Inicialmente la nave está a una distancia r1 del centro del planeta; más tarde, a una distancia r2 = 2r1 (el doble). M (planeta) = 4,0×10²² kg m (nave) = 200 kg r1 = 2,0×10⁶ m r2 = 4,0×10⁶ m

a Escribe la fórmula de la energía potencial gravitatoria de la nave en el campo del planeta. [1]
b Calcula la energía potencial gravitatoria de la nave cuando está a distancia r1. [2]
c Calcula la energía potencial gravitatoria de la nave cuando está a distancia r2, y compara el resultado con el del apartado b). [2]
d Calcula el trabajo mínimo necesario para mover la nave desde r1 hasta r2. [2]
Pistas progresivas
Teoría básica
  • Energía potencial gravitatoria: Ep = −GMm/r. — Cuadernillo de datos, Tema D.1.
  • A diferencia de la fuerza (F ∝ 1/r²), la energía potencial depende de 1/r — al duplicar r, |Ep| se reduce a la mitad, no a la cuarta parte.
  • Trabajo mínimo para mover una masa entre dos puntos del campo: W = ΔEp = Ep(final) − Ep(inicial).
  • Un valor positivo de W significa que hay que aportar energía externa (el campo "se opone" al movimiento); uno negativo significa que el campo realiza trabajo a favor.
Refuerzo
Libro — Oxford Physics 2023 — Topic D.1 Gravitational fields, energía potencial gravitatoria.
Cuadernillo — Cuadernillo de datos de Física — Tema D.1, Ep = −GMm/r.
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Apartado a) — Ep = −GMm/r.
Apartado b) — Ep1 = −(6,67×10⁻¹¹)(4,0×10²²)(200) / 2,0×10⁶ ≈ −2,7×10⁸ J.
Apartado c) — Ep2 = −(6,67×10⁻¹¹)(4,0×10²²)(200) / 4,0×10⁶ ≈ −1,3×10⁸ J — la magnitud es la mitad de Ep1, coherente con la dependencia 1/r (no 1/r²) de la energía potencial.
Apartado d) — W = Ep2 − Ep1 = (−1,3×10⁸) − (−2,7×10⁸) ≈ +1,3×10⁸ J.