С древних времен людей интересовала проблема устройства мира. Еще в III-м веке до нашей эры греческий философ Аристарх Самосский высказал идею о том, что Земля вращается вокруг Солнца, и попытался вычислить расстояния и размеры Солнца и Земли по положению Луны. Так как доказательный аппарат Аристарха Самосского был несовершенен, большинство осталось сторонниками пифагорейской геоцентрической системы мира.
Прошло почти два тысячелетия, и идеей гелиоцентрического устройства мира увлекся польский астроном Николай Коперник. Он умер в 1543 году, и вскоре труд всей его жизни опубликовали ученики. Модель и таблицы положения небесных тел Коперника, основанные на гелиоцентрической системе, гораздо точнее отражали положение вещей.
Спустя полвека немецкий математик Иоганн Кеплер, используя скурупулезные записи датского астронома Тихо Браге о наблюдениях небесных тел, вывел законы движения планет, которые сняли неточности модели Коперника.
Завершение XVII века ознаменовалось трудами великого английского ученого Исаака Ньютона. Законы механики и всемирного тяготения Ньютона расширили и дали теоретическое обоснование формулам, выведенным из наблюдений Кеплером.
Наконец, в 1921 году Альберт Эйнштейн предложил общую теорию относительности, наиболее точно описывающую механику небесных тел в настоящее время. Ньютоновские формулы классической механики и теории гравитации до сих пор могут применяться для некоторых вычислений, не требующих большой точности, и там, где релятивистскими эффектами можно пренебречь.
Благодаря Ньютону и его предшественникам мы можем вычислить:
- какую скорость должно иметь тело для сохранения заданной орбиты (первая космическая скорость )
- с какой скоростью должно двигаться тело, чтобы оно преодолело притяжение планеты и стало спутником звезды (вторая космическая скорость )
- минимальную необходимую скорость выхода за пределы планетной системы (третья космическая скорость )
Самые первые источники письменности, устные легенды и сказания, передаваемые из уст в уста, свидетельствуют о желании человека летать, подобно птице. И вот летательные аппараты легко обгоняют любых птиц. Но человек не только освоил воздушное пространство, этого ему показалось мало.
Активно осваивается ближний космос, на Земной орбите находятся целые комплексы, состоящие из жилых, научных, технических модулей. По красной планете - Марсу - вовсю колесят исследовательские автоматические аппараты, по поверхности Луны делаются «огромные шаги человечества», а миссии «Вояджер» вообще навсегда покидают свою родную звезду. С какой скоростью летят аппараты в космосе? "Вторая космическая скорость" - что означает это словосочетание?
Как оторваться от Земли и как её покинуть
Для начала рассмотрим, как вообще летают наши космические аппараты. Представим, что на поверхности Земли построена некая фантастическая башня. Настолько высокая, что её вершина расположена там, где уже совсем нет воздуха. На верхней площадке сооружения ставим пушку, способную выпускать снаряды с разными начальными скоростями.
Первый снаряд выпускается с небольшим количеством пороха в заряде. Снаряд, падает недалеко от башни. Если каждый последующий выстрел производить, последовательно увеличивая мощность заряда, снаряды, выпускаемые из пушки, будут падать всё дальше, огибая земной шар.
При условии, что наша пушка установлена так высоко, что снаряды будут лететь вне атмосферы, и воздух не станет тормозить их движение, в определённый момент снаряд (под номером 6 на рисунке) вообще не упадёт на поверхность планеты. Обогнув её, он пролетит рядом с выпустившей его пушкой и пойдёт на второй, третий круг и т. д. Такой эффект мы сможем наблюдать, когда начальная скорость снаряда будет 7,91 километров в секунду - это и есть первая космическая скорость.
А что будет, если скорость повышать дальше? Если выпустить снаряд из пушки так, чтобы летел он быстрее 11 км/с, траектория его превратится из эллипса в параболу (линия 7 на рисунке) и он, преодолев силу притяжения, навсегда покинет нашу планету. Это в небесной механике вторая космическая скорость.
Кто был первым
Кто же сумел первым придать технике такие скорости? Обе - первая и вторая космические скорости - были достигнуты аппаратами, изготовленными руками советских инженеров.
Осенью 57 года прошлого века советская ракета-носитель P-7, развив первую космическую скорость, выводит на орбиту Земли первый в истории человечества искусственный спутник. Но человек не был бы самим собой, если бы его удовлетворила участь кружиться вокруг своей колыбели.
Спустя буквально два года, опять же советским, космическим кораблём была достигнута вторая космическая скорость ракет, позволившая миссии преодолеть земное притяжение и направиться в сторону Луны.
Как рассчитать
А от чего зависит величина космических скоростей? Очевидно, во первых, от мощности гравитационного поля, которое создаёт космическое тело. Одно дело оторваться от астероида, где придать мячу вторую космическую скорость можно просто - посильнее размахнувшись, швырнуть его в космос. Другое дело - покинуть пределы Земли, с её массой.
Есть ещё один нюанс. Рассмотрим две планеты, вращающиеся вокруг Солнца: Меркурий и малую планету , открытую недавно, Эриду. Оба космических тела вращаются вокруг одного и того же светила с одной и той же массой. Но вот 1 космическая скорость у Меркурия составляет около 50 км/с, Эрида же летит по своей орбите намного медленнее - около 3,5 км/с. В чём же дело? А в том, что Эрида в 200 раз дальше от светила чем Меркурий и сила притяжения Солнца там в 200 в кубе раз слабее. Отсюда ещё один фактор - расстояние от центра космического тела. То есть чем ближе к нему мы находимся, тем выше будет вторая космическая скорость. Формула первой космической скорости известна из школьного курса физики.
- G - константа гравитации, принимается в расчётах 6,67 ∙ 10 -11 м 3 ∙с -2 ∙кг;
- M - масса космического тела;
- R - расстояние от центра планеты до орбиты (радиус вращения).
Не сложно вычисляется и вторая космическая скорость. Формула ее приведена ниже.
Для того чтобы, находясь в районе земной орбиты, навсегда покинуть Солнечную систему, необходимо разогнаться до скорости (относительно Солнца) 47 км/с, ее принято называть третьей космической.
Наше Солнце так же, как вокруг него планеты, само вращается вокруг центра галактики, именумой Млечным Путем, со скоростью около 250 километров в секунду. Для того чтобы навсегда распрощаться с галактикой, ему понадобилась бы скорость порядка 650 км/с (космическая скорость № 4).
Вторая космическая скорость для небольшого астероида составляет около 30-60 м/с. Улететь от такого объекта в космосе несложно. Другое дело - нейтронные звёзды или ещё чего похуже - чёрные дыры. Вторая космическая скорость для чёрной дыры - свыше 300 тысяч километров в секунду - выше скорости света. Именно поэтому ни один объект, даже свет, не в состоянии покинуть объятия этого космического монстра.
Вторая “земная” космическая скорость – это скорость, которую необходимо сообщить телу относительно Земли, чтобы оно преодолело поле земного тяготения, т.е. оказалось способным удалиться от Земли на бесконечно большое расстояние.
Пренебрегая действием на тело Солнца, Луны, планет, звёзд и т.д. и полагая, что в системе Земля - тело отсутствуют неконсервативные силы (а таковые в действительности имеются - это силы сопротивления атмосферы), мы можем считать эту систему замкнутой и консервативной. В такой системе полная механическая энергия есть величина постоянная.
Если нулевой уровень потенциальной энергии выбрать в бесконечности, то полная механическая энергия тела в любой точке траектории будет равна нулю (по мере удаления тела от Земли кинетическая энергия, сообщенная ему на старте, будет превращаться в потенциальную. В бесконечности, где потенциальная энергия тела равна нулю,
обратится в нуль и кинетическая энергия E к =0. Следовательно, полная энергия E = E п + E к . = 0.)
Приравняв
полную энергию тела на старте (на
поверхности Земли) и в бесконечности,
мы можем вычислить вторую космическую
скорость. На старте тело обладает
положительной кинетической энергией
иотрицательной
потенциальной
энергией
,m
-
масса
тела; M
з
-
масса
Земли;
II
-
скорость тела на старте (искомая
космическая скорость);R
з
-
радиус Земли (предполагаем, что необходимую
космическую скорость тело приобретает
в непосредственной близости от поверхности
Земли).
Полная
энергия тела 
(12.16)
откуда
(12.17)
Массу
Земли можно выразить через ускорение
свободного падения g 0
(вблизи поверхности Земли): 
.
Подставив это выражение в (12.17), получим окончательно
(12.18)
так
как
есть первая космическая скорость.
V. Условия равновесия механической системы.
Пусть на некоторое тело действуют только консервативная сила. Это значит, что данное тело вместе с телами, с которыми оно взаимодействует, образует замкнутую консервативную систему . Выясним,
при каких условиях рассматриваемое тело будет находиться в состоянии равновесия (сформулируем эти условия с энергетической точки зрения).
Условия равновесия с точки зрения динамики нам известны: тело находится в равновесии, если его скорость и геометрическая сумма всех действующих на него сил равны нулю:
(12.19)
(12.20)
Пусть консервативная сила, действующая на тело, такова, что потенциальная энергия тела зависит только от одной координаты, например, x . График этой зависимости приведён на рисунке 23. Из связи потенциальной энергии с силой следует, что в состоянии равновесия
производная от потенциальной энергии по x равна нулю.
(12.21)
т.е. в состоянии равновесия тело обладает экстремальным запасом потенциальной энергии. Убедимся в том, что потенциальная энергия в состоянии устойчивого равновесия минимальная , а в состоянии неустойчивого равновесия – максимальная .
3. Устойчивое равновесие системы характеризуется тем, что при отклонении системы из этого состояния возникают силы, возвращающие систему в первоначальное состояние.
П
ри
отклонении из состояния неустойчивого
равновесия возникают силы, стремящиеся
отклонить систему ещёдальше
от первоначального положения. Отклоним
тело из положения A
влево
(см. рис.23). При этом появится сила
,
проекция которой на осьx
равна:
(12.22)
Производная
в точке
отрицательна (угол
- тупой). Из (12.22) следует,
>0;
направление силы
совпадает
с направлением оси x
,
т.е. сила направления к
положению равновесия
A
.
Тело самопроизвольно, без дополнительного
воздействия вернётся в положение
равновесия. Следовательно, состояние
A
– состояние устойчивого
равновесия.
Но в этом состоянии, как видно из графика,
потенциальная энергия минимальна.
4.
Отклоним
тело из положения B
также влево.
Проекция силы
на осьx
: 
получается
отрицательной
(
>0,
так как угол
острый).
Это
значит, что направление силы
противоположно
положительному направлению оси x
,
т.е. сила
направленаот
положения равновесия.
Состояние
B
,
в котором потенциальная энергия
максимальна, неустойчиво.
Таким образом, в состоянии устойчивого равновесия потенциальная энергия системы минимальна , в состоянии неустойчивого равновесия – максимальна.
Если
известно, что потенциальная энергия
некоторой системы минимальна,
то это ещё не значит, что система находится
в равновесии. Необходимо ещё, чтобы в
этом состоянии система не обладала
кинетической энергией: 
(12.23)
Итак, система находится в состоянии устойчивого равновесия, если E к =0, а E п минимальна. Если E к =0, а E п максимальна, то система находится в неустойчивом равновесии.
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Пример
1.
Человек
стоит в центре скамьи Жуковского и
вместе с ней вращается по инерции.
Частота обращения
Момент инерции тела человека относительно
оси вращения
В вытянутых в стороны руках человек
держит две гири массой
каждая. Расстояние между гирями
Сколько
оборотов в секунду будет делать скамейка
с человеком, если он опустит руки и
расстояние
между гирями станет равным
Моментом инерции скамейки пренебречь.
Решение.
Человек,
держащий гири (см. рис.24), составляет
вместе со скамейкой изолированную
механическую систему, поэтому момент
импульса
этой системы должен иметь постоянное
значение.
Следовательно, для нашего случая
где
и
- момент инерции человека и угловая
скорость скамейки и человека с вытянутыми
руками.
и
-
момент инерции тела человека и угловая
скорость скамейки и человека с опущенными
руками. Отсюда
,
заменив угловую скорость через частоту
(
),
получим
Момент
инерции системы, рассматриваемой в
данной задаче, равен сумме момента
инерции тела человека
и момента инерции гирь в руках человека,
который можно определить по формуле
момента инерции материальной точки
Следовательно, 
где
масса
каждой из гирь,
и
первоначальное
и конечное расстояние между ними. С
учетом сделанных замечаний имеем
Подставляя численные значения величин, найдем
Пример
2.
Стержень
длиной
и массой
может вращаться вокруг неподвижной
оси, проходящей через верхний конец
стержня (см. рис.25). В середину стержня
ударяет пуля массой
,
летящая в горизонтальном направлении
со скоростью
,
и застревает в стержне.
На
какой угол
отклонится стержень после удара?
Решение. Удар пули следует рассматривать как неупругий: после удара и пуля, и соответствующая точка стержня будут двигаться с одинаковыми скоростями.
Сначала
пуля, ударившись о стержень, за ничтожно
малый промежуток времени приводит его
в движение с некоторой угловой скоростью
и
сообщает ему некоторую кинетческую
энергию
где
момент
инерции стержня относительно оси
вращения. Затем стержень поворачивается
на некоторый угол, причем его центр
тяжести поднимается на некоторую высоту
.
В
отклоненном положении стержень будет
обладать потенциальной энергией
Потенциальная энергия получена за счет кинетической энергии и равна ей по закону сохранения энергии, т.е.
,
откуда 
Для
определения угловой скорости
воспользуемся
законом сохранения момента импульса.
В
начальный момент удара угловая скорость
стержня
и поэтому момент импульса стержня
Пуля коснулась стержня, имея линейную
скорость
,
и начала углубляться в стержень, сообщая
ему угловое ускорение и участвуя во
вращении стержня около оси.
Начальный
импульс пули
где
расстояние
точки попадания пули от оси вращения.
В
конечный момент удара стержень имел
угловую скорость
,
а пуля – линейную скорость
равную линейной скорости точек стержня,
находящихся на расстоянии
от оси вращения.
Так
как
,
то конечный момент импульса пули
Применив закон сохранения момента импульса, можно записать
Подставив числовые значения, получим
После этого находим
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
Какая система тел называется замкнутой?
2. Какая система взаимодействующих тел называется консервативной?
При каких условиях сохраняется импульс отдельного тела?
Сформулируйте закон сохранения импульса для системы тел.
Сформулируйте закон сохранения момента импульса (для отдельного тела и системы тел).
Сформулируйте закон сохранения механической энергии.
Какие системы называются диссипативными?
Что называется столкновением тел?
Какое столкновение называется абсолютно неупругим и какое абсолютно упругим?
10.Какие законы выполняются при абсолютно неупругом и абсолютно упругом столкновениях тел, образующих замкнутую систему?
11.Что такое вторая космическая скорость? Выведите формулу для этой скорости.
Сформулируйте условия равновесия механической системы.
Если и некоторому телу сообщить скорость, равную первой космической скорости, то оно не упадет на Землю, а станет искусственным спутником, движущимся по околоземной круговой орбите. Напомним, что эта скорость должна быть перпендикулярна направлению к центру Земли и равна по величине
v I = √{gR} = 7,9 км/с
,
где g = 9,8 м/с 2
− ускорение свободного падения тел у поверхности Земли, R = 6,4 × 10 6 м
− радиус Земли.
А может ли тело и вовсе порвать цепи тяготения, «привязывающие» его к Земле? Оказывается, может, но для этого его нужно «бросить» с еще большей скоростью. Минимальную начальную скорость, которую необходимо сообщить телу у поверхности Земли, чтобы оно преодолело земное притяжение, называют второй космической скоростью. Найдем ее значение v II
.
При удалении тела от Земли сила притяжения совершает отрицательную работу, в результате чего кинетическая энергия тела уменьшается. Одновременно с этим уменьшается и сила притяжения. Если кинетическая энергия упадет до нуля до того, как станет равной нулю сила притяжения, тело вернется обратно на Землю. Чтобы этого не произошло, нужно, чтобы кинетическая энергия сохранялась отличной от нуля до тех пор, пока сила притяжения не обратится в нуль. А это может произойти лишь на бесконечно большом расстоянии от Земли.
Согласно теореме о кинетической энергии, изменение кинетической энергии тела равно работе действующей на тело силы. Для нашего случая можно записать:
0 − mv II 2 /2 = A
,
или
mv II 2 /2 = −A
,
где m
− масса брошенного с Земли тела, A
− работа силы притяжения.
Таким образом, для вычисления второй космической скорости нужно найти работу силы притяжения тела к Земле при удалении тела от поверхности Земли на бесконечно большое расстояние. Как это ни удиви-тельно, но работа эта вовсе не бесконечно большая, несмотря на то, что перемещение тела как будто бы бесконечно велико. Причина тому − уменьшение силы притяжения по мере удаления тела от Земли. Чему же равна работа силы притяжения?
Воспользуемся той особенностью, что работа силы тяготения не зависит от формы траектории движения тела, и рассмотрим самый простой случай − тело удаляется от Земли по линии, проходящей через центр Земли. На приведенном здесь рисунке изображен Земной шар и тело массой m
, которое движется вдоль направления, указанного стрелкой.
Найдем сначала работу А 1
, которую совершает сила притяжения на очень малом участке от произвольной точки N
до точки N 1
. Расстояния этих точек до центра Земли обозначим через r
и r 1
, соответственно, так что работа А 1
будет равна
A 1 = −F(r 1 − r) = F(r − r 1)
.
Но какое значение силы F
следует подставить в эту формулу? Ведь оно изменяется от точки к точке: в N
оно равно GmM/r 2
(М
− масса Земли), в точке N 1
− GmM/r 1 2
.
Очевидно, нужно взять среднее значение этой силы. Так как расстояния r
и r 1
, мало отличаются друг от друга, то в качестве среднего можно взять значение силы в некоторой средней точке, например такой, что
r cp 2 = rr 1
.
Тогда получаем
A 1 = GmM(r − r 1)/(rr 1) = GmM(1/r 1 − 1/r)
.
Рассуждая таким же образом, найдем, что на участке N 1 N 2
совершается работа
A 2 = GmM(1/r 2 − 1/r 1)
,
на участке N 2 N 3
работа равна
A 3 = GmM(1/r 3 − 1/r 2)
,
а на участке NN 3
работа равна
A 1 + A 2 + A 2 = GmM(1/r 3 − 1/r)
.
Закономерность ясна: работа силы притяжения при перемещении тела от одной точки к другой определяется разностью обратных расстояний от этих точек до центра Земли. Теперь нетрудно найти и всю работу А
при перемещении тела от поверхности Земли (r = R
) на бесконечно большое расстояние (r → ∞
, 1/r = 0
):
A = GmM(0 − 1/R) = −GmM/R
.
Как видно, эта работа и в самом деле не бесконечно велика.
Подставив полученное выражение для А
в формулу
mv II 2 /2 = −GmM/R
,
найдем значение второй космической скорости:
v II = √{−2A/m} = √{2GM/R} = √{2gR} = 11,2 км/с
.
Отсюда видно, что вторая космическая скорость в √{2}
раз больше первой космической скорости:
v II = √{2}v I
.
В проведенных расчетах мы не принимали во внимание то, что наше тело взаимодействует не только с Землей, но и с другими космическими объектами. И в первую очередь − с Солнцем. Получив начальную скорость, равную v II
, тело сумеет преодолеть тяготение к Земле, но не станет истинно свободным, а превратится в спутник Солнца. Однако если телу у поверхности Земли сообщить так называемую третью космическую скорость v III = 16,6 км/с
, то оно сумеет преодолеть и силу притяжения к Солнцу.
Смотрите пример
Министерство образования и науки РФ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет экономики и финансов»
Кафедра систем технологий и товароведения
Доклад по курсу концепции современного естествознания на тему «Космические скорости»
Выполнила:
Проверил:
г. Санкт-Петербург
Космические скорости.
Космическая скорость (первая v1, вторая v2, третья v3 и четвёртая v4) - это минимальная скорость, при которой какое-либо тело в свободном движении сможет:
v1 - стать спутником небесного тела (то есть способность вращаться по орбите вокруг НТ и не падать на поверхность НТ).
v2 - преодолеть гравитационное притяжение небесного тела.
v3 - покинуть Солнечную систему, преодолев притяжение Солнца.
v4 - покинуть галактику Млечный Путь.
Первая космическая скорость или Круговая скорость V1 - скорость, которую необходимо придать объекту без двигателя, пренебрегая сопротивлением атмосферы и вращением планеты, чтобы вывести его на круговую орбиту с радиусом, равным радиусу планеты. Иными словами, первая космическая скорость - это минимальная скорость, при которой тело, движущееся горизонтально над поверхностью планеты, не упадёт на неё, а будет двигаться по круговой орбите.
Для вычисления первой космической скорости необходимо рассмотреть равенство центробежной силы и силы тяготения действующих на объект на круговой орбите.
где m - масса объекта, M - масса планеты, G - гравитационная постоянная (6,67259·10−11 м³·кг−1·с−2), - первая космическая скорость, R - радиус планеты. Подставляя численные значения (для Земли M = 5,97·1024 кг, R = 6 378 км), найдем
7,9 км/сПервую космическую скорость можно определить через ускорение свободного падения - так как g = GM/R², то
Вторая космическая скорость (параболическая скорость, скорость убегания) - наименьшая скорость, которую необходимо придать объекту (например, космическому аппарату), масса которого пренебрежимо мала относительно массы небесного тела (например, планеты), для преодоления гравитационного притяжения этого небесного тела. Предполагается, что после приобретения телом этой скорости оно не получает негравитационного ускорения (двигатель выключен, атмосфера отсутствует).
Вторая космическая скорость определяется радиусом и массой небесного тела, поэтому она своя для каждого небесного тела (для каждой планеты) и является его характеристикой. Для Земли вторая космическая скорость равна 11,2 км/с. Тело, имеющее около Земли такую скорость, покидает окрестности Земли и становится спутником Солнца. Для Солнца вторая космическая скорость составляет 617,7 км/с.
Параболической вторая космическая скорость называется потому, что тела, имеющие вторую космическую скорость, движутся по параболе.
Вывод формулы:
Для получения формулы второй космической скорости удобно обратить задачу - спросить, какую скорость получит тело на поверхности планеты, если будет падать на неё из бесконечности. Очевидно, что это именно та скорость, которую надо придать телу на поверхности планеты, чтобы вывести его за пределы её гравитационного влияния.
Запишем закон сохранения энергии
где слева стоят кинетическая и потенциальная энергии на поверхности планеты (потенциальная энергия отрицательна, так как точка отсчета взята на бесконечности), справа то же, но на бесконечности (покоящееся тело на границе гравитационного влияния - энергия равна нулю). Здесь m - масса пробного тела, M - масса планеты, R - радиус планеты, G - гравитационная постоянная, v2 - вторая космическая скорость.
Разрешая относительно v2, получим
Между первой и второй космическими скоростями существует простое соотношение:
Третья космическая скорость - минимально необходимая скорость тела без двигателя, позволяющая преодолеть притяжение Солнца и в результате уйти за пределы Солнечной системы в межзвёздное пространство.
Взлетая с поверхности Земли и наилучшим образом используя орбитальное движение планеты космический аппарат может достичь третей космической скорости уже при 16,6 км/с относительно Земли, а при старте с Земли в самом неблагоприятном направлении его необходимо разогнать до 72,8 км/с. Здесь для расчёта предполагается, что космический аппарат приобретает эту скорость сразу на поверхности Земли и после этого не получает негравитационного ускорения (двигатели выключены и сопротивление атмосферы отсутствует). При наиболее энергетически выгодном старте скорость объекта должна быть сонаправлена скорости орбитального движения Земли вокруг Солнца. Орбита такого аппарата в Солнечной системе представляет собой параболу (скорость убывает к нулю асимптотически).
Четвёртая космическая скорость - минимально необходимая скорость тела без двигателя, позволяющая преодолеть притяжение галактики Млечный Путь. Четвёртая космическая скорость не постоянна для всех точек Галактики, а зависит от расстояния до центральной массы (для нашей галактики таковой является объект Стрелец A*, сверхмассивная чёрная дыра). По грубым предварительным расчётам в районе нашего Солнца четвёртая космическая скорость составляет около 550 км/с. Значение сильно зависит не только (и не столько) от расстояния до центра галактики, а от распределения масс вещества по Галактике, о которых пока нет точных данных, ввиду того что видимая материя составляет лишь малую часть общей гравитирующей массы, а все остальное - скрытая масса.