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¿Fuerza gravitatoria entre una varilla y una masa puntual?

La fuerza gravitatoria podría calcularse fácilmente dividiendo la varilla en segmentos muy pequeños, calculando las fuerzas individuales entre los pequeños segmentos de la varilla y la masa puntual e integrando simplemente la fuerza total para una varilla completa.

Pero mi pregunta es ¿por qué no podemos suponer que toda la masa de la varilla se concentra en el centro de masa de la varilla, considerándola así como una masa puntual y calculando directamente la fuerza mediante la fórmula gravitatoria de Newtons?

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SkyBeam Puntos 541

Porque la ley de Newton de la gravitación da el primer resultado si se aplica correctamente (¡como haces tú en el primer párrafo!).

La ley de gravitación de Newton no se refiere al centro de masa. La reducción al centro de masa sólo es válida para objetos esféricamente simétricos (debido a la teorema de la cáscara ) o como una aproximación en el límite de grandes distancias (debido a la expansión multipolar, donde grande significa grande en comparación con las extensiones de las distribuciones de masa que interactúan).

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Vicfred Puntos 123

La forma más sencilla de verlo es sustituir la barra por dos masas puntuales unidas por una barra rígida. Esto simulará dos pequeños trozos opuestos de la varilla. Que las tres masas tengan masa $m$ la distancia de la masa única al centro de la barra $R$ y la distancia desde el centro de la barra a una de las masas sea $r$ . Supongamos que la barra está orientada a lo largo de la línea que va del centro a la masa única. Entonces $$F=Gm^2\left(\frac 1{(R-r)^2}+\frac 1{(R+r)^2}\right)$$ mientras que agrupando las dos masas en el centro de la barra se obtiene $$F=Gm^2\left(\frac 2{R^2}\right)$$ y tenemos $$\left(\frac 1{(R-r)^2}+\frac 1{(R+r)^2}\right)=\frac{2R^2+2r^2}{(R^2-r^2)^2}\gt \frac 2{R^2}$$ La cuestión es que la fuerza sobre la masa cercana aumenta más de lo que disminuye la fuerza sobre la masa lejana. Si haces el cálculo con la barra perpendicular a la línea a la masa simple, encontrarás que la fuerza se reduce porque la distancia a las dos masas es $\sqrt{R^2+r^2}$ en lugar de $R$

Si $r \ll R$ estos efectos se vuelven pequeños y pueden ignorarse en el cálculo práctico. Las correcciones disminuyen a medida que $\frac 1{R^3}$ o más rápido. Desde una distancia suficiente, se puede agrupar toda la masa en el cm y considerar un cuerpo como una masa puntual.

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