Problema resolt PAU Física: camp gravitatori (Fobos, Deimos i la massa de Mart)

Resolem pas a pas un exercici real de la selectivitat de Física de Catalunya: calcular la massa d'un planeta a partir de l'òrbita d'un satèl·lit, el camp gravitatori a la superfície, un període amb la tercera llei de Kepler i una energia mecànica. És un dels tipus de problema que més surten a l'examen.

Font: PAU 2023, convocatòria ordinària, sèrie 1, problema P1 (Canal Universitats, Generalitat de Catalunya). Enunciat reproduït amb finalitat educativa; la resolució és de CiènciesCat.

Enunciat

Els dos satèl·lits de Mart, Fobos i Deimos, porten el nom dels fills bessons d'Afrodita i Ares. […] Els dos satèl·lits tenen forma irregular, però els podem aproximar a una esfera de diàmetre 22,2 km per a Fobos i de 12,6 km per a Deimos. […] El radi orbital mitjà (distància entre els centres dels dos objectes) de Fobos al voltant de Mart és de 9 377 km i el seu període de revolució és de 7 hores, 39 minuts i 14 segons. Sabent que el radi orbital mitjà de Deimos és de 23 460 km, determineu a partir d'aquestes dades:

a) La massa de Mart i la intensitat del camp gravitatori que Mart crea a la seva superfície. [1,25 punts]
b) El període de revolució de Deimos al voltant de Mart i la seva energia mecànica. [1,25 punts]

Dades: \(G=6{,}67\times10^{-11}\ \text{N m}^2\,\text{kg}^{-2}\); \(M_{\text{Fobos}}=1{,}10\times10^{16}\) kg; \(M_{\text{Deimos}}=2{,}00\times10^{15}\) kg; \(R_{\text{Mart}}=3\,390\) km. Considereu que els dos satèl·lits descriuen una trajectòria circular al voltant de Mart.

Dibuix

MartFobosDeimosFrD

La força gravitatòria de Mart sobre cada satèl·lit apunta cap al centre del planeta: és la força centrípeta que el manté en òrbita.

Dades (passades al SI)

Els diàmetres dels satèl·lits i la massa de Fobos no calen: són informació de context.

Fórmules que farem servir

$$F=G\frac{Mm}{r^2}\qquad a_c=\omega^2 r=\frac{v^2}{r}\qquad g_0=G\frac{M}{R^2}\qquad \frac{T^2}{r^3}=\text{constant}\qquad E_m=-G\frac{Mm}{2r}$$

Pas a pas

Pas 1. Velocitat angular de Fobos. Amb el període en segons: $$\omega=\frac{2\pi}{T_F}=\frac{2\pi}{27\,554}\approx2{,}28\cdot10^{-4}\ \text{rad/s}$$

Pas 2. La gravetat fa de força centrípeta. Escrivim la llei de gravitació universal, la segona llei de Newton i l'acceleració centrípeta, i les igualem (la massa de Fobos se simplifica): $$G\frac{M_F M_M}{r_F^2}=M_F\,\omega^2 r_F\;\Rightarrow\; M_M=\frac{\omega^2 r_F^3}{G}=\frac{(2{,}28\cdot10^{-4})^2\,(9{,}377\cdot10^6)^3}{6{,}67\cdot10^{-11}}\approx6{,}43\cdot10^{23}\ \text{kg}$$

Pas 3. Camp gravitatori a la superfície. $$g_0=G\frac{M_M}{R_M^2}=6{,}67\cdot10^{-11}\,\frac{6{,}43\cdot10^{23}}{(3{,}390\cdot10^6)^2}\approx3{,}73\ \text{m/s}^2$$

Pas 4. Període de Deimos amb la tercera llei de Kepler. Fobos i Deimos giren al voltant del mateix planeta, per tant \(T^2/r^3\) és igual per als dos: $$T_D=T_F\left(\frac{r_D}{r_F}\right)^{3/2}=27\,554\left(\frac{2{,}346\cdot10^7}{9{,}377\cdot10^6}\right)^{3/2}\approx1{,}09\cdot10^{5}\ \text{s}\ (\approx30{,}3\ \text{h})$$

Pas 5. Energia mecànica de Deimos. En una òrbita circular, \(E_m=E_c+E_p=\tfrac12 mv^2-G\frac{Mm}{r}\), i com que \(v^2=GM/r\), queda: $$E_m=-G\frac{M_D M_M}{2r_D}=-6{,}67\cdot10^{-11}\,\frac{2{,}00\cdot10^{15}\cdot6{,}43\cdot10^{23}}{2\cdot2{,}346\cdot10^{7}}\approx-1{,}83\cdot10^{21}\ \text{J}$$ (La velocitat de Deimos és \(v=2\pi r_D/T_D\approx1{,}35\cdot10^3\) m/s, per si la vols fer servir directament.)

Resultat

a) \(M_M\approx6{,}43\cdot10^{23}\ \text{kg}\) · \(g_0\approx3{,}73\ \text{m/s}^2\) · b) \(T_D\approx1{,}09\cdot10^{5}\ \text{s}\) · \(E_m\approx-1{,}83\cdot10^{21}\ \text{J}\)

Té sentit: la gravetat de Mart és més o menys un terç de la terrestre, Deimos és més lluny i tarda més a fer una volta, i l'energia mecànica negativa indica una òrbita tancada.

Errors típics

Què valora el corrector

Criteris segons la pauta oficial de correcció de la mateixa convocatòria.

Vols més problemes explicats així?

Descarrega la mostra o directament el dossier complet, tots dos gratuïts.

Mostra gratuïta Dossier complet (gratuït)