Как вычислить период обращения спутника вокруг планеты

Как вычислить период обращения спутника вокруг планеты

При движении спутников (с выключенным двигателем) по круговой орбите на них действует только одна сила — сила притяжения спутника к планете.

На спутник, имеющий массу m и движущийся по круговой орбите на высоте h над поверхностью планеты (рис. 2.2), действует только сила тяжести.

Эта сила направлена к центру планеты и сообщает спутнику центростремительное ускорение. В этом случае справедливо соотношение

G m M r 2 = m v 2 r ,

позволяющее получить формулу для расчета первой космической скорости спутника:

где G = 6,67 ⋅ 10 −11 Н ⋅ м 2 /кг 2 — универсальная гравитационная постоянная; m — масса тела; r = R + h — радиус орбиты; R — радиус планеты; h — высота спутника над поверхностью планеты.

Различают первую, вторую и третью космические скорости. Для планеты Земля:

  • первая космическая скорость — минимальная скорость, сообщенная спутнику вблизи поверхности Земли, при которой он может выйти на круговую орбиту и начать вращение вокруг Земли на околоземной орбите ( h ≈ 0),
  • вторая космическая скорость — минимальная скорость, сообщенная спутнику вблизи поверхности Земли, при которой он может удалиться от Земли на большое расстояние и стать спутником Солнца,
  • третья космическая скорость — минимальная скорость, сообщенная спутнику вблизи поверхности Земли, при которой он может покинуть Солнечную систему; ее значение приблизительно равно 16,6 км/с.

Когда говорят о первой космической скорости для планеты , то подразумевают, что спутник движется на высоте h ≈ 0, т.е. радиус орбиты спутника r совпадает с радиусом планеты R :

Период обращения спутника вокруг планеты (время одного оборота) можно определить как отношение длины орбиты к первой космической скорости:

где L = 2π r — длина орбиты радиусом r (длина окружности); v — первая космическая скорость спутника на этой орбите.

Пример 5. Во сколько раз период обращения искусственного спутника, совершающего движение по круговой орбите на высоте, равной удвоенному радиусу Земли, превышает период обращения спутника, вращающегося на околоземной орбите?

Решение. Период обращения спутника, совершающего движение по круговой орбите на высоте h 1 = 2 R , определяется формулой

T 1 = 2 π ( R + h 1 ) v 1 ,

где R — радиус Земли; v 1 — первая космическая скорость спутника на высоте h 1 .

Период обращения спутника, совершающего движение на околоземной орбите ( h 2 ≈ 0), определяется формулой

T 2 = 2 π ( R + h 2 ) v 2 ,

где v 2 — первая космическая скорость спутника на околоземной орбите.

Подстановка значений h 1 = 2 R и h 2 = 0 в формулы для вычисления соответствующих периодов дает:

T 1 = 6 π R v 1 и T 2 = 2 π R v 2 .

T 1 T 2 = 3 v 2 v 1

выражается через отношение первых космических скоростей спутника на соответствующих орбитах.

Первые космические скорости определяются следующими формулами:

Читайте также:  Как перевести номер билайн на мегафон

v 1 = G M R + h 1 = G M R + 2 R = G M 3 R ;

  • для высоты h 2 ≈ 0 (околоземная орбита)

v 2 = G M R + h 2 = G M R + 0 = G M R ,

где G = 6,67 ⋅ 10 −11 Н · м 2 /кг 2 — универсальная гравитационная постоянная; M — масса Земли.

Подставляя v 1 и v 2 в формулу для отношения периодов, получим

T 1 T 2 = 3 v 2 v 1 = 3 G M R ⋅ 3 R G M = 3 3 ≈ 5,2 .

т.е. период обращения спутника, совершающего движение на высоте, равной двум радиусам, превышает период обращения спутника на околоземной орбите приблизительно в 5,2 раза.

Пример 6. Радиус некоторой планеты в 3 раза больше радиуса Земли, а плотность в 9 раз меньше плотности Земли. Определить отношение первых космических скоростей спутников для Земли и для планеты.

Решение. Сравниваются следующие первые космические скорости:

  • для поверхности планеты

где G = 6,67 ⋅ 10 −11 Н · м 2 /кг 2 — универсальная гравитационная постоянная; M З — масса Земли; R З — радиус Земли; M — масса планеты; R — радиус планеты.

Отношение скоростей равно

v 1 v 2 = M З R З R M .

Считая, что Земля и планета имеют шарообразную форму, получим формулы для вычисления соответствующих масс:

M З = ρ З V З = 4 3 π ρ З R З 3 ,

M = ρ V = 4 3 π ρ R 3 ,

где ρ З — плотность Земли; ρ — плотность планеты.

Подставим выражения для масс в формулу для отношения скоростей:

v 1 v 2 = 4 3 π ρ З R З 3 R З 3 4 R π ρ R 3 = ρ З R З 2 ρ R 2 = R З R ρ З ρ .

По условию задачи R = 3 R З и ρ З = 9ρ; следовательно, искомое отношение скоростей равно

v 1 v 2 = R З 3 R З 9 ρ ρ = 1 ,

т.е. скорости спутника одинаковы для поверхности Земли и для поверхности планеты.

Пример 7. Вокруг некоторой планеты по круговой орбите радиусом 20 000 км вращается спутник со скоростью 12 км/с. Определить величину ускорения свободного падения на поверхности планеты, если ее радиус равен 12 000 км.

Решение. Ускорение свободного падения на поверхности планеты найдем по формуле

где G = 6,67 ⋅ 10 −11 Н · м 2 /кг 2 — универсальная гравитационная постоянная; M — масса планеты; R — радиус планеты.

Радиус планеты задан в условии задачи, произведение ( GM ) можно выразить из формулы для первой космической скорости:

v = G M R + h = G M r ,

где r — радиус орбиты спутника; отсюда искомое произведение

Подставим ( GM ) в выражение для вычисления g 0 :

Расчет позволяет получить значение ускорения свободного падения на поверхности планеты:

g 0 = ( 12 ⋅ 10 3 ) 2 ⋅ 2, 0 ⋅ 10 7 ( 12 ⋅ 10 6 ) 2 = 20 м/с 2 .

В результате перехода спутника Земли с одной круговой орбиты на другую его центростремительное ускорение уменьшается. Как изменяются в результате этого перехода радиус его орбиты и период обращения вокруг Земли?

Читайте также:  Ручка для японского ножа

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Радиус орбиты Период обращения вокруг Земли

Центростремительное ускорение рассчитывается по формуле: При движении по орбите центростремительное ускорение возникает вследствие гравитационного взаимодействия с Землёй: где и — массы спутника и Земли соответственно. При уменьшении центростремительного ускорения радиус обращения увеличивается. Из приведённых формул получим, что заметим, что при удалении от Земли скорость спутника уменьшается. Период обращения — это время за которое спутник делает полный оборот вокруг Земли, то есть Следовательно, период обращения спутника увеличится.

Можно заметить, что раз радиус обращения увеличивается, а скорость обращения падает, то период обращения увеличивается.

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Адрес: г. Новороссийск Телефон: Номер телефона Почта: kalinelena@yandex.ru

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Как сказал.

Информация в чистом виде ‒ это не знание. Настоящий источник знания ‒ это опыт.

Альберт Эйнштейн

Тестирование

Урок 08. Практическая работа № 2 «Законы Кеплера. Определение масс небесных тел»

Тема: Законы Кеплера. Определение масс небесных тел

Цель занятия: Освоить методику решения задач, используя законы движения планет.

Теоретические сведения

При решении задач неизвестное движение сравнивается с уже известным путём применения законов Кеплера и формул синодического периода обращения.

Первый закон Кеплера. Все планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которого находится Солнце.

Второй закон Кеплера. Радиус-вектор планеты описывает в равные времена равные площади.

Третий закон Кеплера. Квадраты времен обращения планет относятся как кубы больших полуосей их орбит:

Для определения масс небесных тел применяют обобщённый третий закон Кеплера с учётом сил всемирного тяготения:

,

где М1 и М2 -массы каких-либо небесных тел, а m1 и m2 — соответственно массы их спутников.

Обобщённый третий закон Кеплера применим и к другим системам, например, к движению планеты вокруг Солнца и спутника вокруг планеты. Для этого сравнивают движение Луны вокруг Земли с движением спутника вокруг той планеты, массу которой определяют, и при этом массами спутников в сравнении с массой центрального тела пренебрегают. При этом в исходной формуле индекс надо отнести к движению Луны вокруг Земли массой , а индекс 2 –к движению любого спутника вокруг планеты массой . Тогда масса планеты вычисляется по формуле:

Читайте также:  Графический редактор paint на русском языке

,

где Тл и α л— период и большая полуось орбиты спутника планеты , М⊕ -масса Земли.

Формулы, определяющие соотношение между сидерическим (звёздным) Т и синодическим периодами S планеты и периодом обращения Земли , выраженными в годах или сутках,

а) для внешней планеты формула имеет вид:

б) для внутренней планеты:

Выполнение работы

Задание 1. За какое время Марс, находящийся от Солнца примерно в полтора раза, чем Земля, совершает полный оборот вокруг Солнца?

Задание 2. Вычислить массу Юпитера, зная, что его спутник Ио совершает оборот вокруг планеты за 1,77 суток, а большая полуось его орбиты – 422 тыс. км

Задание 3. Противостояния некоторой планеты повторяются через 2 года. Чему равна большая полуось её орбиты?

Задание 4. Определите массу планеты Уран (в массах Земли), если известно, что спутник Урана Титания обращается вокруг него с периодом 8,7 сут. на среднем расстоянии 438 тыс. км. для луны эти величины равны соответственно 27,3 сут. и 384 тыс. км.

Задание 5. Марс дальше от Солнца, чем Земля, в 1.5 раза. Какова продолжительность года на Марсе? Орбиты планет считать круговыми.

Задание 6. Синодический период планеты 500 суток. Определите большую полуось её орбиты и звёздный (сидерический) период обращения.

Задание 7. Определить период обращения астероида Белоруссия если большая полуось его орбиты а=2,4 а.е.

Задание 8. Звёздный период обращения Юпитера вокруг Солнца Т=12 лет. Каково среднее расстояние от Юпитера до Солнца?

Примеры решения задач 1-4

Задание 1. За какое время Марс, находящийся от Солнца примерно в полтора раза, чем Земля, совершает полный оборот вокруг Солнца?

Задание 2. Вычислить массу Юпитера, зная, что его спутник Ио совершает оборот вокруг планеты за 1,77 суток, а большая полуось его орбиты – 422 тыс. км

Задание 3. Противостояния некоторой планеты повторяются через 2 года. Чему равна большая полуось её орбиты?

Задание 4. Определите массу планеты Уран (в массах Земли), если известно, что спутник Урана Титания обращается вокруг него с периодом 8,7 сут. на среднем расстоянии 438 тыс. км. для луны эти величины равны соответственно 27,3 сут. и 384 тыс. км.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector