HOJA SELECTIVIDAD GRAVITACIÓN

Transcripción

1 HOJA SELECTIVIDAD GRAVITACIÓN 1.- La Estación Espacial Internacional (ISS) describe alrededor de la Tierra una órbita prácticamente circular a una altura h = 390 km sobre la superficie terrestre, siendo su masa m = 415 toneladas. a) Calcule su período de rotación en minutos así como la velocidad con la que se desplaza b) Qué energía se necesitaría para llevarla desde su órbita actual a otra a una altura doble? Cuál sería el período de rotación en esta nueva órbita? Sol: T=92 9,5, v=7681,4 m/s ; E= 6, J., T 2= Explique los siguientes conceptos: campo gravitatorio, potencial gravitatorio, energía potencial gravitatoria y velocidad de escape. 3.- Se eleva un objeto de masa m = 20 kg desde la superficie de la Tierra hasta una altura h = 100 km. a) Cuánto pesa el objeto a esa altura? (1,5 puntos). Sol: 188,99 N = 19,38 Kp b) Cuánto ha incrementado su energía potencial? (1,5 puntos). Sol: 1, J 4.- La sonda espacial europea Mars Express orbita en la actualidad en torno a Marte recorriendo una órbita completa cada 7,5 horas, siendo su masa de aproximadamente 120 kg. a) Suponiendo una órbita circular, calcule su radio, la velocidad con que la recorre la sonda y su energía en la órbita (2 puntos). Sol: R=9, Km, v=2152,02 m/s; -2, J b) En realidad, esta sonda describe una órbita elíptica de forma que pueda aproximarse lo suficiente al planeta como para fotografiar su superficie. La distancia a la superficie marciana en el punto más próximo es de 258 km y de km en el punto más alejado. Obtenga la relación entre las velocidades de la sonda en estos dos puntos (1 punto). Sol: v perigeo/v apogeo= 4,098 DATOS: Radio de Marte: 3390 km; Masa de Marte: 6, kg. 5.- La masa de Júpiter es 318 veces la de la Tierra y su radio 11 veces el de la Tierra. Su satélite llamado Io se mueve en una órbita aproximadamente circular, con un período de 1 día, 18 horas y 27 minutos. Calcule: a) El radio de la órbita de este satélite, su velocidad lineal y su aceleración (2 puntos) la aceleración de la gravedad en la superficie del planeta Júpiter Sol: a= 0,712 m/s 2, g=25,76 m/s 2, R Io=4, m, v=17323,7 m/s 6.- Un pequeño satélite de 1500 kg de masa, gira alrededor de la Luna orbitando en una circunferencia de 3 veces el radio de la Luna. a) Calcule el periodo del satélite y determine la energía mecánica total que posee el satélite en su órbita (2 puntos). Sol: T= 9h 24 3,8 ; E m= -7, J Deduzca y calcule la velocidad de escape de la Luna (1 punto) Datos: Masa de la Luna: 7, kg; Radio de la Luna: 1740 km Sol: Ve sup =2373,8 m/s; v e órb=969,11 m/s 7.- Dos satélites de igual masa orbitan en torno a un planeta de masa mucho mayor siguiendo órbitas circulares coplanarias de radios R y 3R y recorriendo ambos las órbitas en sentidos contrarios. Deduzca y calcule: a) la relación entre sus periodos (1,5 puntos). Sol: T 2 /T 1 = 3 3 b) la relación entre sus momentos angulares (módulo, dirección y sentido) Sol: L 2/L 1 = 3, dirección eje Z, sentidos contrarios

2 8.- Un planeta sigue una órbita elíptica alrededor de una estrella. Cuando pasa por el periastro P, punto de su trayectoria más próximo a la estrella, y por el apoastro A, punto más alejado, explique y justifique las siguientes afirmaciones: a) Su momento angular es igual en ambos puntos (0,5 puntos) y su celeridad es diferente b) Su energía mecánica es igual en ambos puntos (1 punto). Sol: ambos ciertos 9.- La masa de la Luna es 0,0123 veces la de la Tierra y su radio mide 1, m. Calcule: a) La velocidad con que llegará al suelo un objeto que cae libremente desde una altura de 5 m sobre la superficie lunar (1,5 puntos). Sol: v=4,02 m/s b) El período de oscilación en la Luna de un péndulo cuyo período en la Tierra es de 5 s (1,5 puntos).sol: T= 12,31 s 10.- El radio de un planeta es la tercera parte del radio terrestre y su masa la mitad. Calcule la gravedad en su superficie (1 punto) y la velocidad de escape del planeta, en función de sus correspondientes valores terrestres (1 punto). Sol: 4,5 g 0 ; v e = 6/2 v e Se desea poner en órbita circular un satélite meteorológico de 1000 kg de masa a una altura de 300 km sobre la superficie terrestre. Deduzca y calcule: a) La velocidad, el periodo y aceleración que debe tener en la órbita (2 puntos). Sol: T= 5427, 7s; v=7721, 285 m/s; a=8,928 m/s 2 b) El trabajo necesario para poner en órbita el satélite (1 punto). Sol: W=2, J 12.- Un cierto satélite en órbita circular alrededor de la Tierra es atraído por ésta con una fuerza de 1000 N y la energía potencial gravitatoria Tierra-satélite es J, siendo nula en el infinito. Calcule: a) La altura del satélite sobre la superficie terrestre (1,5 puntos). Sol: 2, m b) La masa del satélite (1,5 puntos). Sol: 2263,28 Kg 13.- Escriba la expresión de la energía potencial gravitatoria terrestre de un objeto situado cerca de la superficie de la Tierra. En qué lugar es nula? (1 punto). a. Considere ahora el caso de un satélite en órbita alrededor de la Tierra. Escriba la expresión de su energía potencial gravitatoria terrestre e indique el lugar donde se anula (1 punto). Sol:, 14.- Júpiter, el mayor de los planetas del sistema solar y cuya masa es 318,36 veces la de la Tierra, tiene orbitando doce satélites. El mayor de ellos, Ganimedes (descubierto por Galileo), gira en una órbita circular de radio igual a 15 veces el radio de Júpiter y con un período de revolución de 6, s. Calcule: a) la densidad media de Júpiter (1,5 puntos). Sol: 1240,61 Kg/m 3 b) el valor de la aceleración de la gravedad en la superficie de Júpiter Sol: 24,72 m/s Considere dos satélites de masas iguales en órbita alrededor de la Tierra. Uno de ellos gira en una órbita de radio R y el otro en una de radio 2R. Conteste razonadamente las siguientes preguntas: a) Cuál de los dos se desplaza con mayor celeridad? (0,5 puntos). Sol: el + cercano b) Cuál de los dos tiene mayor energía potencial? (0,5 puntos). Sol: el + lejano c) Cuál de ellos tiene mayor energía mecánica? (1 punto). Sol: igual 16.- Velocidad de escape: definición y aplicación al caso de un cuerpo en la superficie terrestre (2 puntos). Sol: Teoría 17.- Qué se entiende por velocidad de escape? (1 punto). b) Si la masa de la Tierra se cuadruplicara, manteniendo el radio, cómo se modificaría la velocidad de escape? (1 punto). Sol: Se duplicaría

3 18.- Júpiter es el mayor planeta del sistema solar. Su masa es 318 veces la masa terrestre, su radio 11,22 veces el de la Tierra y su distancia al sol 5,2 veces mayor que la distancia media de la Tierra al Sol. Determine: a) el valor de la aceleración de la gravedad en la superficie de Júpiter en relación con su valor en la superficie terrestre y el periodo de rotación de Júpiter alrededor del Sol, sabiendo que el periodo terrestre es de 365 días y las órbitas de ambos planetas se consideran circulares Sol: g= 24,76 m/s 2 ; T= 11 años, 313 días, 2h, 32,31 b) el periodo y la velocidad media orbital de Calisto, su segunda mayor luna, sabiendo que describe una órbita circular de 1, km de radio (1 punto). Sol: v=8201,38 m/s ; T= 16 días, 16 h; 4, 52, La distancia media entre la Luna y la Tierra es R TL=3, m, y la distancia media entre la Tierra y el Sol es R TS = m. La Luna tiene una masa M L= 7, kg. y el Sol M S =1, kg. Considere las órbitas circulares y los astros puntuales. a) Comparando la velocidad lineal de los astros en sus órbitas respectivas, determine cuántas veces más rápido se desplaza la Tierra alrededor del Sol que la Luna alrededor de la Tierra. Sol: 29,227 b) En el alineamiento de los tres astros durante un eclipse de Sol (cuando la posición de la Luna se interpone entre la Tierra y el Sol), calcule la fuerza neta que experimenta la Luna debido a la acción gravitatoria del Sol y de la Tierra. Indique el sentido (signo) de dicha fuerza. (1 punto) Sol: -2, j N hacia el Sol La Luna tiene una masa y un radio. Determine: M L =7, kg R=1, m. a) La distancia que recorre en 10 s un cuerpo que cae libremente en la proximidad de su superficie. (1 punto) Sol: m b) El trabajo necesario para levantar un cuerpo de 50 kg hasta una altura de 10 m. (1 punto) Sol:- 809,63 J 21.- Sabiendo que la distancia media Sol Júpiter es 5,2 veces mayor que la distancia media Sol Tierra, y suponiendo órbitas circulares: a) Calcule el periodo de Júpiter considerando que el periodo de la Tierra es 1 año. b) Qué ángulo recorre Júpiter en su órbita mientras la Tierra da una vuelta al Sol? Sol: T= 11 años, 313 días, 2h, 32,31 ; = 30º, Cuál debe ser la duración del día terrestre para que el peso aparente de los objetos situados en el ecuador sea igual a cero? (1,5 puntos) Cuál sería, en ese caso, el periodo de un péndulo simple de 1 m de longitud situado en el ecuador? (0,5 puntos) Sol: T= 1h 24 25,67 ; infinito 23.- Enuncie las leyes de Kepler. (1 punto) Suponiendo órbitas circulares, deduzca la tercera ley de Kepler a partir de la ley de Gravitación Universal. (1 punto) 24.- En tres de los vértices de un cuadrado de 1 m de lado hay tres masas iguales de 2 kg. Calcule: a) La intensidad del campo gravitatorio en el otro vértice. (1,5 puntos) b) La fuerza que actúa sobre una masa de 5 kg colocada en él. (0, 5 puntos) Sol: g= 1, (i-j) N/Kg = ½G (4+ 2) (i-j); F= (5/2) G (4+ 2) (i-j) N 25.- Un satélite artificial de 250 kg se encuentra en una órbita circular alrededor de la Tierra a una altura de 500 km de su superficie. Si queremos transferirlo a una nueva órbita en la que su periodo de revolución sea tres veces mayor: a) Calcule la altura de esta nueva órbita y su velocidad lineal. (1 punto) b) Obtenga la energía necesaria para realizar la transferencia entre ambas órbitas. (1 punto) Sol: h = 7920,176 Km; W=3, J

4 26.- Se tienen dos masas M A = 100 kg M B = 400 Kg y colocadas en los puntos de coordenadas A (2,0) y B ( 1,0) medidas en metros. a) Calcule en qué punto de la recta que une ambas masas se anula el campo gravitatorio debido a ellas. (1 punto) Sol: (1,0) b) Determine el trabajo necesario para trasladar un objeto de masa m= 10 kg desde dicho punto al origen de coordenadas. Interprete el signo. (1 punto) Sol: W=-1500 G J = 10-7 J 27.- La masa de Marte, su radio y el radio de su órbita alrededor del Sol, referidos a las magnitudes de la Tierra, son, respectivamente: 0,107, 0,532 y 1,524. Calcule: a) la duración de un año marciano (periodo de rotación alrededor del Sol); (1 punto) Sol: 1,88138 años b) el valor de la gravedad y la velocidad de escape en la superficie de Marte en relación con las de la Tierra. (1 punto) Sol: 3,8336 m/s 2 ; v e= 5018,74 m/s 28.- Desde la superficie de la Tierra se pone en órbita un satélite, lanzándolo en dirección vertical con una velocidad inicial de 6000 m s -1. Despreciando el rozamiento con el aire, determine: a) la altura máxima que alcanza el satélite; (1 punto) Sol: 2570 Km b) el valor de la gravedad terrestre a dicha altura máxima. (1 punto) Sol: 4,99 m/s La distancia media de la Tierra al Sol es 1, km y la Tierra tarda 365,24 días en dar una vuelta a su alrededor. Mercurio tiene un periodo de 88 días en su giro alrededor del Sol. Suponiendo órbitas circulares, determine: a) la distancia media entre Mercurio y el Sol; (1 punto) Sol: 5, m b) la velocidad orbital media de Mercurio. (1 punto) Sol: 47839,54 m/s 30.- Dibuje un esquema de las líneas de campo y las superficies equipotenciales asociadas al campo gravitatorio creado por la Tierra. (1 punto) b) Qué relación existe entre el potencial gravitatorio y la energía potencial gravitatoria? Qué relación existe entre el campo y el potencial gravitatorio? (1 punto) Sol: Líneas radiales hacia el centro Tierra, superficie equipotencial esferas concéntricas. El potencial por la masa es la Ep, -dv /dr= g 31.- Dos masas puntuales, m1 = 5 kg y m2 = 10 kg, se encuentran situadas en el plano XY en los puntos de coordenadas (x1, y1) = (0, 1) y (x2, y2) = (0, 7), respectivamente. Sabiendo que todas las coordenadas están expresadas en metros, calcule: a. La intensidad del campo gravitatorio debido a las dos masas en el punto (4, 4). (1 punto) Sol:3, N/Kg b. El trabajo necesario para trasladar una masa de 1 kg situada en el punto (0, 4) hasta el punto (4, 4), en presencia de las otras dos masas, indicando la interpretación física que tiene el signo del trabajo calculado. (1 punto) Sol: W= -2G J= 1, J Cómo se modifica el peso de un objeto cuando se eleva desde el nivel del mar hasta una altura igual a dos veces el radio terrestre? (1 punto) Sol: disminuye el 88,89% Júpiter tiene una densidad media de 1, kg m 3 y un radio igual a 7, m. Cuál es la aceleración de la gravedad en su superficie? (1punto) Sol: 26,88 m/s La lanzadera espacial Columbia giraba en una órbita circular a 250 km de altura sobre la superficie terrestre. Para reparar el telescopio espacial Hubble, se desplazó hasta una nueva

5 órbita circular situada a 610 km de altura sobre la Tierra. Sabiendo que la masa del Columbia era kg, calcule: El periodo y la velocidad orbital iniciales de la lanzadera Columbia. Sol: 5358,62s La energía necesaria para situarla en la órbita donde está el Hubble. Sol: 1, J 34.- Galileo observó por primera vez las lunas de Júpiter en Encontró que Io, el satélite más cercano a Júpiter que pudo observar en su época, poseía un periodo orbital de 1,8 días y el radio de su órbita era, aproximadamente, 3 veces el diámetro de Júpiter. Asimismo, encontró que el periodo orbital de Calisto (la cuarta luna más alejada de Júpiter) era de 16,7 días. Con esos datos, suponiendo órbitas circulares y usando que el radio de Júpiter es 7, m, calcule: La masa de Júpiter. (1 punto) Sol: 1, Kg El radio de la órbita de Calisto. (1 punto) Sol: 1, m Defina con precisión los siguientes conceptos relacionados con el campo gravitatorio: velocidad de escape; líneas del campo gravitatorio; potencial gravitatorio; superficies equipotenciales; energía de enlace. (1,5 puntos) Sol: Teoría b) Pueden cortarse las líneas de campo gravitatorio? Razone la respuesta. (0,5 puntos) Sol: No 36.- La masa de la Luna es 0,012 veces la masa de la Tierra, el radio lunar es 0,27 veces el radio de la Tierra y la distancia media entre sus centros es 60,3 radios terrestres. a) Calcule la gravedad en la superficie lunar. (0,8 puntos) Sol: g Luna= 1,613 m/s 2 b) En qué punto intermedio entre la Tierra y la Luna se equilibran las fuerzas que ambas ejercen sobre un cuerpo de masa m? Realice un esquema ilustrativo de las fuerzas. (1,2 puntos) Sol: 3, m de la Luna 37.- Dos partículas de masas 4 kg y 0,5 kg se encuentran en el vacío y separadas 20 cm. Calcule: a) La energía potencial inicial del sistema y el trabajo realizado por la fuerza gravitatoria al aumentar la separación entre las partículas hasta 40 cm. (1 punto) b) El trabajo de la fuerza gravitatoria para separar las partículas desde la posición de partida hasta el infinito y el trabajo de la fuerza gravitatoria necesario para restablecer la distribución inicial. (1 punto) Sol: a) -3, J; b) -6, J; 3, J 38.- a) Enuncie las leyes de Kepler. (1 punto) Alrededor del Sol, entre las órbitas de Marte y Júpiter, giran una serie de objetos de pequeño tamaño llamados asteroides. El mayor de ellos es Ceres, considerado hoy como un planeta enano. Considerando que las órbitas son circulares, use los datos de la tabla para calcular el periodo de rotación orbital de Ceres en años terrestres y la masa del Sol. (1 punto) Sol: T= 4,718 años de 365,24 días. M Sol= 1, a) Qué es un campo gravitatorio? Explique algún método (o dispositivo) que permita la medición de su intensidad (1 punto) Sol: perturbación espacio debido a un sistema material, mediante el péndulo b) A qué altura sobre la superficie de la Tierra se debe encontrar un cuerpo para que su peso sea u 5% menor del que posee en la superficie? (1 punto) Sol: 1655 Km

6 40.- Se desea colocar en órbita un satélite de 750 kg, lanzándolo desde el ecuador de modo que un observador terrestre lo vea siempre en el mismo punto del firmamento (satélite geoestacionario).a) A qué altura, desde la superficie terrestre, orbitará el satélite? (1 punto).b) Cuánta energía será preciso suministrarle para que alcance dicha órbita? (1 punto). Sol: Km; b) W=4, J 41.- En el caso del campo gravitatorio creado por un planeta: a) Demuestre que la velocidad de escape de un cuerpo es independiente de su masa. (1 punto) b) Demuestre que para un cuerpo en órbita circular la E cinética = ½ E potencial. (1 punto) 42.- a) Enuncie las tres leyes de Kepler. (1,2 puntos) b) Describa algún procedimiento que permita la determinación experimental de g. (0,8 puntos) Sol: Representación del periodo al cuadrado frente a L, la pendiente es 4 2 /g 43.- a) Calcule el valor de la gravedad a una altura sobre la superficie de la Tierra igual a la cuarta parte de su radio. Cuánto pesará un objeto de masa 100 kg a dicha altura? (1 punto) b) Si no existiese atmósfera y se dejase caer el objeto anterior desde dicha altura, con qué velocidad llegaría a la Tierra? (1 punto) S ol: 6,272 m/s 2 ; P= 627,2 N; v=4997,04 m/s 44.- a) La Luna describe una órbita circular en torno a la Tierra, con un periodo de 27,3 días y un radio de 3, km. Aplicando las leyes de Kepler, determine el periodo de un satélite artificial que gira alrededor de la Tierra a una altura sobre su superficie igual al radio terrestre. (1 punto) Sol: 0,165 días b) Explique si la Luna y el satélite artificial mencionado tienen la misma velocidad areolar. 3 (1 punto) Sol: No, ya que v= k T y el periodo es distinto 45.- a) Un satélite artificial describe una órbita circular en el plano ecuatorial de la Tierra con una velocidad de 3073 ms -1. A qué altura sobre la superficie de la Tierra está orbitando? Determine su periodo de rotación en horas. (1 punto) Sol:35867,86 Km b) Qué es una órbita geoestacionaria? Cuánto vale la aceleración de la gravedad en dicha órbita? (1 punto) Sol: Aquella cuyo periodo es igual a 24 h y por lo tanto el satélite está siempre en el mismo punto desde la Tierra, a=0,2234 m/s Sobre el cometa 67P/Churiumov-Guerasimenko (de masa M = kg y 25 km 3 de volumen) se posó el módulo espacial Philae (de masa m = 100 kg), transportado por la sonda espacial Rosetta. Debido a que el módulo Philae no dispone de propulsión propia, la sonda Rosetta se aproximó hasta 22,5 km de la superficie del cometa y allí abandonó al módulo Philae en caída libre con una velocidad inicial nula respecto al cometa, que supondremos esférico. Calcule: a) La velocidad con la que Philae impactó sobre el cometa. (1 punto) v= 0,1656 m/s b) El peso del módulo Philae sobre la superficie del cometa. (1 punto) P=0,02 N 47.- Dos masas iguales de 10 kg están situadas en los puntos de coordenadas (3, 0) y (-3, 0), medidas en metros. Calcule: a) La intensidad de campo gravitatorio generado por las dos masas en el punto (0, 2). (1 punto) b) El potencial gravitatorio en el origen de coordenadas. (1 punto) Sol: g= 400G j 169 m/s2 ; V= 20G J/Kg a) Dónde tendrá mayor velocidad orbital un satélite terrestre con órbita elíptica: en el apogeo (punto más distante de la Tierra) o en el perigeo? Explique por qué. (1 punto) b) Defina la velocidad de escape de un objeto en un planeta y explique cómo varía si se duplica la masa del objeto. (1 punto) Sol: v p>v a, ya que L=cte., la velocidad de escape no depende de la masa del objeto luego no varía