43
Л. Баканина
Задачи о спутниках
4 октября 1957 года по правау считают началом нового века в освенении Космosa. Запуск первого искусственного спутника Земли открыл невообразимые ранее просторы для научных изысканий. Стали возникными исследованиями космических изучений, не возможности атмосферой. Человек получил возможность по-новому, so стороны взглянуть на свою родную планету: на ее поверхности, атмосферу и даже глубины.
Искусственные спутники породили множество проблем, связанных с их собственным движением, и вызвали новую волну интересса к вопросам, которые занимались еще Кеплер, Галилей, Ньюотон.
Точный расчет движения спутника — задачарезвычайно сложная. Однако в первом приближении она совпадет к задаче взаимодействия двух тел. Именно такие задачи и будут рассмотрены в этой статье.
Вспомним основные физические законы, которые необходимо знать при решении задач о движении спутников.
Прежде всего это закон всемирного тяотения — любые две материалы точки прятягивают друг друга с силой , направленной по линии, их соединяющей, а по абсолотной величины прямого пропорциональной их массам и и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:
( — гравиитционная постоянная).
По поводу этого закона в третьем номере «Кванта» за 1980 год была опубlikована статья В. Можаева. В ней было показано, в частности, что потенциальная энергия гравиитонного взаимодействия тел равна
то есть она отрицательна и обратно пропорциональная расстоянию между телами. Знание этого выражения выходит за рамки школьной программы, но иногда оказывается очень полезным при решении задач. Хорошо известная формула для изменения потенциальной энергии
является частьим случае приведенной выше обшей формулы. Она справедлива, если рассматривается взаимодействие тела массой с Землей, причем тело находится в близи поверхности Земли и перемещается на высоту , малую по сравнению с радиусом Земли. В этом случае
Но, как следует из закона всемирного тяотения, ускорение свободного падения на поверхности Земли равно
Таким образом, действительно
Кроме закона всемирного тяотения, следует вспомнить законы Кеплер —
- каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце;
- радиус-вектор планеты за одинаковые промежутки времени описывается равные площади;
- квадраты перiodов обращения планет относится как кубы больших полуосей их орбит.
44
Эти законы, полученные при обработке результатов многоолетних наблюдений датского астронама Тихо Браге, справедливы и для спутников. Так, например, для спутника, движущегося вокруг Земли, Земля выступает в роли Солнца, а спутник — в роли планеты.
Рассмотрим теперь несколько конкретных задач.
З адача 1. Покажите, что перiod спутника, обращающийся воркре пленеты в неосредственной близости от ее поверхности, зависит только от средней плотности пленеты. Вычислите перiod такого спутника для нейтронной звезды, считая, что плотность нейтронной звезды порядка плотности атомных ядер ке/м.
Сила притяжения спутника к планете сообщает спутнику центростремильноеускорение:
где — масса спутника, — его расстояние до центра планеты, примерное равное радиусу планеты, — масса планеты. Отсюда можно найти угловую скорость , а значит, и период обращения спутника:
Для спутника нейтронной звезды с.
З адача 2. Определите отношение массы Марса к массе Земли по параметрам орбиты советской автоматической станции «Марс-2»: максимальное удаление от поверхности (в апоцентре) км, минимальное (в апоцентре) км, период обращения и 00 мин. Радуус Марса км, радуус Земли км.
Из условия задачи известны период и длина большой полуоси км эллипса, по которым движется автоматическая станция «Марс-2». Легко вычислить периоды и спутников, врашаюшихся по круговым орбитам
вблизи поверхности Земли и Марса, и сравнить все три периода.
Для спутника Земли можно написать
откуда
Для аналогичного спутника Марса
По третьему закону Кеплера
Таким образом, из последних трех равенств получаем
и .
Итак, окончательно
З адача 3. Искусственный спутник Земли запущен с экватора и врачается по круговой орбите в направлении врачия Земли. Найдите отношение радиуса орбиты спутника к радиусу Земли, при котором спутник перiodически проходит над точкой запускаровно через суток.
Так как угловая скорость спутника может быть и больше, и меньше угловой скорости Земли , возможно два решения задачи.
- Пусть , тогда
(здесь — один сутки — период
45
образения Земли вокруг своей оси).
Согласно второму закону Ньютона,
Подставив сюда выражение для и зная, что , найдем отношение радиуса орбиты спутника к радиусу Земли :
- Пусть , тогда
Задача 4. Спутник, запущенный на крутовую орбиту высотой km над поверхностью Земли, тормозится в верхих слоях атмосферы. Уеловое ускорение спутника равно рад/с². На какой высоте оказывается спутник через месяц?
Обозначим через и начальные периоды обращения и радиуса орбиты спутника, а через и — период и радиус орбиты спутня месяц после запуска. По третьему закону Кеплера
следовательно, при увеличении периода обращения (при уменьшении частоты) радиус орбиты должен возрастать. Найдем, на какую величины.
Пусть период увеличился на , а радиус орбиты — на . Поскольку уловое ускорение мало, можно считать, что и . Из равенства
пренебрега всеми степенями и , кроме первого, получим
Перiod обращения связаан с угловой скоростью соответствием . Продиференцируем его: . Ввиду малости и будем считать, что . Тогда
Начальную угловую скорость найдем из условия, что на высоте центростремительное ускорение спутника приблизительно равно :
Окончательно
Итак, через месяц спутник будет находиться на высоте км.
Упражнения
- Искусственный спутник Земли запущен с экватора и врашается по круговой орбите в плоскости экватора в направлении осевого врашения Земли. Радиус орбиты спутника в раза больше радиуса Земли км. Через какое время спутник в первой раз пройдёт над точкой запуска?
- Вычислите первую космическую скорость при старте с поверхности Юпитера, если известно, что спутник Юпитера Ганимед врашается по почти круговой орбите радиусом км с периодом земных суток. Радиус Юпитера км.
- Известно, что в настоящие время Луна удаляется от Земли со скоростью см/год). Найдите угловое ускорение Луны. Среднее расстояние от Луны до Земли км, угловая скорость врашения Луны вокруг Земли рад/с.