¿Cuál es la masa y el peso de un cuerpo de 40 kg en la Tierra y en la Luna?
Datos:
– Masa de la Tierra, \( M_T = 5.98 \times 10^{24} \, \text{kg} \)
– Radio de la Tierra, \( R_T = 6380 \, \text{km} = 6.38 \times 10^{6} \, \text{m} \)
– Masa de la Luna, \( M_L = 7.35 \times 10^{22} \, \text{kg} \)
– Radio de la Luna, \( R_L = 1740 \, \text{km} = 1.74 \times 10^{6} \, \text{m} \)
1. Masa del cuerpo:
La masa de un objeto es una propiedad intrínseca y no cambia con la ubicación. Por lo tanto, la masa del cuerpo es:
\[ m = 40.0 \, \text{kg} \]
2. Peso del cuerpo en la Tierra:
El peso es la fuerza gravitatoria que actúa sobre un objeto debido a la gravedad. En la Tierra, esta fuerza se calcula usando la ley de gravitación universal de Newton:
\[ F = \frac{G M_T m}{R_T^2} \]
Sustituimos los valores:
\[ F_T = \frac{(6.674 \times 10^{-11} \, \text{Nm}^2/\text{kg}^2) (5.98 \times 10^{24} \, \text{kg}) (40.0 \, \text{kg})}{(6.38 \times 10^6 \, \text{m})^2} \]
Primero, calculamos el denominador:
\[ (6.38 \times 10^6 \, \text{m})^2 = 4.07 \times 10^{13} \, \text{m}^2 \]
Ahora, el numerador:
\[ (6.674 \times 10^{-11} \, \text{Nm}^2/\text{kg}^2) (5.98 \times 10^{24} \, \text{kg}) (40.0 \, \text{kg}) = 1.595 \times 10^{16} \, \text{Nm}^2/\text{kg} \]
Entonces, la fuerza es:
\[ F_T = \frac{1.595 \times 10^{16} \, \text{N}\text{m}^2/\text{kg}}{4.07 \times 10^{13} \, \text{m}^2} \approx 392 \, \text{N} \]
Por lo tanto, el peso del cuerpo en la Tierra es \( 392 \, \text{N} \).
3. Peso del cuerpo en la Luna:
De manera similar, calculamos el peso en la Luna:
\[ F_L = \frac{G M_L m}{R_L^2} \]
Sustituimos los valores:
\[ F_L = \frac{(6.674 \times 10^{-11} \, \text{Nm}^2/\text{kg}^2) (7.35 \times 10^{22} \, \text{kg}) (40.0 \, \text{kg})}{(1.74 \times 10^6 \, \text{m})^2} \]
Primero, calculamos el denominador:
\[ (1.74 \times 10^6 \, \text{m})^2 = 3.02 \times 10^{12} \, \text{m}^2 \]
Ahora, el numerador:
\[ (6.674 \times 10^{-11} \, \text{Nm}^2/\text{kg}^2) (7.35 \times 10^{22} \, \text{kg}) (40.0 \, \text{kg}) = 1.96 \times 10^{14} \, \text{Nm}^2/\text{kg} \]
Entonces, la fuerza es:
\[ F_L = \frac{1.96 \times 10^{14} \, \text{N}\text{m}^2/\text{kg}}{3.02 \times 10^{12} \, \text{m}^2} \approx 64.8 \, \text{N} \]
Por lo tanto, el peso del cuerpo en la Luna es \( 64.8 \, \text{N} \).