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Aceleración de la gravedad y su variación con la altura y la profundidad

La aceleración de un cuerpo que cae libremente cerca de la Tierra es g = GM/R² ≈ 9.8 m/s². No depende de la masa del cuerpo que cae. Si subimos a una altura h, g disminuye: g_h = g R²/(R + h)², que es aproximadamente g(1 − 2h/R) para h pequeña. Si bajamos a una profundidad d, g también disminuye: g_d = g(1 − d/R). En el centro de la Tierra, g = 0. Por eso g es máxima en la superficie.

🎬 Historia paso a paso

  1. Una bola roja está sobre la superficie de la Tierra. La flecha roja muestra g, la atracción sobre cada kilogramo. Aquí g = GM/R², unos 9.8 m/s².
  2. Ahora la bola sube. La flecha se encoge. Al doble de distancia del centro, g es solo la cuarta parte. La gráfica morada va creciendo a medida que la bola sube.
  3. Ahora la bola baja por un túnel. La flecha se encoge otra vez, pero esta vez la gráfica es una línea recta.
  4. La bola llega al centro. La flecha desaparece: g = 0. La gráfica completa: una recta por dentro y una curva 1/r² por fuera. El punto más alto está en la superficie.
  5. Un ejemplo resuelto. La bola está a una altura h = R/2. Pulsa el botón para hallar g, línea por línea.
  6. Te toca a ti. Desliza la bola desde el centro hasta muy lejos en el espacio. Lee el valor de g abajo.

Consejo: arrastra la escena 3D para girarla. Usa dos dedos para hacer zoom.

🤔 Dudas comunes, resueltas

¿Por qué una piedra pesada no cae más rápido que una ligera?

La piedra pesada siente una atracción mayor, pero también tiene más masa que mover. Fuerza ÷ masa da lo mismo: g = GM/R². Lo que frena a una pluma es el aire.

¿Cuándo uso g(1 − 2h/R) y cuándo la fórmula completa?

Usa la corta solo cuando h es muy pequeña comparada con R (unas decenas de km). Para h como R/2 o R, usa g R²/(R + h)² como en el ejemplo resuelto.

Al bajar me acerco al centro. ¿Por qué baja g?

La parte de la Tierra que queda sobre ti te atrae hacia arriba y hacia los lados y se cancela. Solo atrae la parte de abajo, y esa parte es cada vez más pequeña. Mira el tramo recto de la gráfica en el paso 3.

¿Dónde es mayor g?

En la superficie. Si subes o bajas, g disminuye. Mira el punto más alto de la gráfica morada en el paso 4.

¿Flotan los astronautas porque en el espacio no hay gravedad?

No. A 400 km, g todavía es de unos 8.7 m/s². Flotan porque ellos y su estación caen juntos alrededor de la Tierra.

g y su relación con G

La aceleración de la gravedad (g) es la aceleración de un cuerpo que cae libremente por la atracción de la Tierra. Toma un cuerpo de masa m en la superficie. La fuerza con que la Tierra lo atrae es GMm/R². Por la segunda ley de Newton, esa fuerza = mg. Entonces

mg = GMm/R² → g = GM/R²

La masa m se cancela, así que una piedra y una pluma caen con la misma g (si no hay aire). Con M = 6 × 10²⁴ kg y R = 6.4 × 10⁶ m, g ≈ 9.8 m/s².

Peso = mg (una fuerza, en N). Masa (kg) es la cantidad de materia y es la misma en cualquier lugar. El peso cambia cuando cambia g.

Cambio de g con la altura

A una altura h sobre la superficie, la distancia al centro es (R + h). Entonces

g_h = GM/(R + h)² = g R²/(R + h)²

Para alturas pequeñas (h ≪ R)

  1. g_h = g (1 + h/R)⁻²
  2. Regla del binomio: (1 + x)⁻² ≈ 1 − 2x cuando x es pequeño.
  3. g_h ≈ g (1 − 2h/R)

Así, g disminuye una fracción 2h/R. A h = 32 km, 2h/R = 1%, es decir, g baja un 1%.

Usa la fórmula exacta cuando h no es pequeña (como h = R o h = R/2).

Cambio de g con la profundidad

Baja a una mina hasta una profundidad d. Ahora la distancia al centro es (R − d).

  1. La capa exterior de grosor d te atrae por igual desde todos los lados, así que no produce fuerza neta.
  2. Solo te atrae la esfera interior de radio (R − d). Su masa (con densidad uniforme ρ) es M' = M (R − d)³/R³.
  3. g_d = GM'/(R − d)² = GM (R − d)/R³
  4. g_d = g (1 − d/R)

Esto es exacto para una Tierra uniforme. Es una recta: g baja de forma pareja al ir bajando.

En el centro

Con d = R se obtiene g = 0. En el centro, la Tierra te atrae por igual en todas las direcciones. Te sentirías ingrávido (¡pero aplastado por una presión enorme!).

El panorama completo: g frente a la distancia r

Así, g disminuye tanto al subir como al bajar. Para la misma distancia pequeña x, subir (2x/R) reduce g el doble que bajar (x/R).

Otros cambios pequeños (por curiosidad)

La Tierra está un poco achatada en los polos y además gira. Por eso g vale unos 9.83 m/s² en los polos y unos 9.78 m/s² en el ecuador.

Pruébalo: mide g con un péndulo

Ata una tuerca pequeña y pesada a un hilo de 1 m. Déjala oscilar suavemente (ángulo pequeño). Cronometra 20 oscilaciones con el cronómetro del móvil y divide entre 20 para obtener T. Luego g = 4π²L/T². Con L = 1 m deberías obtener T ≈ 2.0 s y una g cercana a 9.8 m/s². En el 3D, desliza la bola hasta 1.0 R y comprueba que el valor mostrado es 9.8.

Fórmulas y definiciones clave

Ejemplos resueltos

1. Halla g en la superficie. M = 6 × 10²⁴ kg, R = 6.4 × 10⁶ m, G = 6.67 × 10⁻¹¹.

g = GM/R² = 4.0 × 10¹⁴ / 4.096 × 10¹³ ≈ 9.77 m/s² ≈ 9.8 m/s².

2. Halla g a una altura h = R/2.

g_h = g R²/(1.5R)² = g/2.25 = 9.8/2.25 ≈ 4.36 m/s².

3. Halla g a una altura de 64 km (R = 6400 km).

h ≪ R, así que g_h ≈ g(1 − 2h/R) = 9.8 (1 − 128/6400) = 9.8 × 0.98 ≈ 9.60 m/s².

4. Halla g a una profundidad de 1600 km.

g_d = g(1 − d/R) = 9.8 (1 − 1600/6400) = 9.8 × 0.75 = 7.35 m/s².

5. Un hombre pesa 600 N en la superficie. ¿Cuánto pesa a una altura igual a R?

g_h = g R²/(2R)² = g/4. Peso = 600/4 = 150 N.

6. ¿A qué altura g es un 1% menor que en la superficie? (R = 6400 km)

2h/R = 0.01 → h = 0.005 R = 32 km.

7. Halla la profundidad a la que g es igual que a una altura de 10 km (h pequeña).

g(1 − d/R) = g(1 − 2h/R) → d = 2h = 20 km.

8. La masa de un planeta es 2 veces la de la Tierra y su radio es 2 veces el de la Tierra. Halla g allí.

g' = G(2M)/(2R)² = (2/4) g = g/2 = 4.9 m/s².

Errores comunes

Test de práctica

1. El valor de g en el centro de la Tierra es:
2. La relación entre g y G es:
3. A una altura h = R, g se vuelve:
4. A una profundidad d = R/2, g se vuelve:
5. g es máxima:

Práctica: responde tú mismo

Escribe o elige tu respuesta y pulsa Comprobar. Usa la pista si te atascas; la solución completa aparece después de responder.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la relación entre g y G?

g = GM/R², donde M y R son la masa y el radio de la Tierra.

¿Cuál es la fórmula de la variación de g con la altura?

g_h = g R²/(R + h)²; para h pequeña, g_h ≈ g(1 − 2h/R).

¿Cuál es la fórmula de la variación de g con la profundidad?

g_d = g(1 − d/R). En el centro (d = R), g = 0.

Dónde se estudia

CBSE (India)Class 11Gravitation

Aprende antes

Aprende después