Закон всемирного тяготения. Движение планет и спутников
Закон всемирного тяготения
Соображения Ньютона состояли в следующем.
— Если сила притяжения тела к Земле пропорциональна массе тела Fтяг = mg, а каждой силе действия есть сила противодействия F1,2 = F2,1 и если тело притягивается к Земле, то и Земля притягивается к телу. Тогда сила тяготения должна быть пропорциональна как массе одного тела, так и массе второго тела Fтяг ~ m1m2, то есть сила тяготения пропорциональна произведению масс, взаимодействующих тел.
— Ньютон заметил, что ускорение на планете Земля, ускорение свободного падения
g = Fтяг / m – это примерно 10 м/с2, а ускорение, с которым движется Луна по своей орбите ал = Fтяг / Мл = g / 3600, – это центростремительное ускорение, в 3600 раз меньше ускорения свободного падения. Ньютон догадался, почему такая разница в числах: дело в том, что расстояние от Земли до Луны составляет примерно шестьдесят земных радиусов rз-л ≈ 60Rз. Их, а также ускорение 3600 Ньютон объединил следующим выводом: сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния между взаимодействующими телами Fтяг ~ 1 / r2.
Учитывая эти два посыла, Ньютон дал общую формулировку: сила всемирного тяготения прямо пропорциональна массам взаимодействующих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
= γ
(-
)
γ – коэффициент пропорциональности (гамма), а направление силы – это сила притяжения друг к другу, и направление в этой формуле дается следующим образом: это единичный вектор, приведенный из первого тела ко второму, то есть отношение самого вектора к его модулю. Знак минус означает, что сила тяготения направлена не от первого тела ко второму, а от второго тела к первому.
Коэффициент пропорциональности измерил Кавендиш в своем эксперименте:
γ = G = 6,62 · 10-11 Нм2 / кг2
Из закона всемирного тяготения следуют формулы ускорения свободного падения:
1. Ускорение свободного падения у поверхности планеты:
g0 = Fтяг / m = γmМз / R2з · m = γ · Мз / R2з.
Зная ускорение на планете Земля, радиус Земли, значение гравитационной постоянной, можно при необходимости вычислить массу Земли.
2. Ускорение свободного падения на каком-то расстоянии h от поверхности планеты:
gh = γ· Мз / (Rз + h)2 = (γ · Мз / R2з) · R2з / (Rз + h)2.
Так как в такой форме ее трудно применить, то пользуются приведенной формулой:
gh = g0 · (Rз / Rз + h)2
3. Ускорение свободного падения на глубине: gh↓ = g0 · (Rз — h / Rз).
На основе закона всемирного тяготения можно рассчитать скорость спутников планет (рис. 1).
Рис. 1. Пример расчета скорости спутника
m ┴
=> gh =
; g0
=
; Vh =
при h << Vh =
≈ 7,9 км/с
В этом случае сила притяжения будет перпендикулярна скорости спутника при движении по круговой орбите, она вызывает центростремительное движение. Зная ускорение свободного падения на высоте h, получаем формулу скорости спутника на высоте h. Очевидно, что с ростом высоты скорость будет уменьшаться, а у самой поверхности Земли при очень малых h по сравнению с радиусом Земли применяется упрощение. То есть h пренебрегают, вносят радиус Земли под корень, производят сокращения и получают формулу первой космической скорости, которая равна 7,9 км/с. При такой скорости спутник недалеко от поверхности Земли может двигаться по круговой орбите.
Пример решения задачи 1
У поверхности Луны на космонавта действует сила тяготения 120 Н. Какая сила тяготения действует со стороны Луны на того же космонавта в космическом корабле, движущемся по круговой орбите вокруг Луны на расстоянии трех лунных радиусов от ее центра?
1. 0 Н; 2. 39 Н; 3. 21 Н; 4. 13 Н.
Запишем краткое условие задачи и рассмотрим решение:
Ответ: вариант 4. 13 Н.
Пример решения задачи 2
Два тела массой по 1000 тонн удалены на 0,1 км друг от друга. Найти силу их гравитационного притяжения.
1. 6,7 мН; 2. 0,67 Н; 3. 6,7 Н; 4. 6,7 кН.
Записываем краткое условие задачи, переводя тонны в килограммы, расстояние в метры, и решение.
Ответ: вариант 1. 6,7 мН.
Применяя закон всемирного тяготения, мы получаем правильный ответ 1.
Пример решения задачи 3
Чему равна скорость спутника Земли на круговой орбите на высоте 500 км от ее поверхности? Радиус Земли принять равным 6400 км.
1. 7,6 км/с; 2. 7,8 км/с; 3. 7,9 км/с; 4. 8,2 км/с.
Записываем краткое условие задачи и вычисления.
Ответ: вариант 1. 7,6 км/с.
Используя формулу спутника на высоте, мы вносим радиус планеты под знак радикала и разбиваем его на два множителя. У нас под корнем получилась первая космическая скорость, которую мы можем вынести за знак радикала и, подставив значения, получим, что скорость будет равна 7,6 км/с – это соответствует 1 ответу.
Движение планет и спутников
На основе закона всемирного тяготения рассчитывают период обращения спутников, как естественных, так и искусственных. Зная период обращения, мы можем найти массу спутников. Период обращения находится по формуле: Т = 2πR / V, то есть длина окружности, деленная на скорость по орбите. При малых высотах по сравнению с радиусом Земли для вычисления скорости спутника, который летит недалеко от поверхности Земли, период мы находим по формуле:
То = = 2π
Помним о том, что в числителе у нас длина экватора, а в знаменателе первая космическая скорость. Произведя расчеты мы получим, что То ≈ 5060 с ≈ 1 ч 24 мин = 1,4 ч – это время, за которое искусственный спутник Земли, двигающийся недалеко от поверхности, совершает полный оборот. Если спутник летит по орбите, высота которой соизмерима с радиусом Земли, мы пользуемся формулой:
Тh = = 2π
= То (
)3/2
Эту формулу мы получили, внеся (R + h) под знак радикала и используя уже полученное значение То.
Рассмотрим задачу, по которой была вычислена масса Солнца.
Радиус земной орбиты составляет 1,5 · 1011 м. Чему равна масса Солнца?
Обычно эта задача вызывает затруднение, так как дан всего лишь один параметр, но нужно помнить, что Земля вокруг Солнца совершает один оборот за 365 дней, в сутках у нас 24 часа и в каждом часе 3600 секунд, так что нам известен период обращения Земли как спутника Солнца. Поэтому записываем краткое условие задачи и решение.
Ответ: 2·1030 кг.
Сила, с которой Земля притягивается к Солнцу, приводит к центростремительному ускорению, поэтому применяем формулу, которая выражается через период обращения. С другой стороны, это сила тяготения, и по закону всемирного тяготения выражается через гравитационную постоянную, массу Земли и массу Солнца, деленные на квадрат расстояния между ними. Сокращаем массу Земли в двух последних членах этого равенства, неизвестным остается только масса Солнца, которую мы можем вычислить, подставляя все данные.
Рассмотрим еще одну задачу.
В результате перехода с одной круговой орбиты на другую центростремительное ускорение спутника Земли уменьшается. Как изменяются в результате этого перехода радиус орбиты спутника, скорость его движения по орбите и период обращения вокруг Земли? Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1. увеличилась; 2. уменьшилась; 3. не изменилась.
При решении задач с выбором ответа необходимо перед решением выписать формулы величин, которые фигурируют в условии задачи. Сказано о том, что центростремительное ускорение уменьшилось, а центростремительное ускорение спутника есть не что иное, как ускорение свободного падения на его орбите: gh = g0 · (Rз / Rз + h)2, если g уменьшилось, значит, h увеличилось.
Скорость спутника на орбите, находящегося на высоте, – Vh =
, если h увеличивается, то скорость уменьшается.
Формулу для периода обращения применяем Тh = То ()3/2, по которой видно без вычислений, что произошли изменения.
Ответ: в результате перехода радиус орбиты спутника увеличился, скорость его движения по орбите уменьшилась, период обращения вокруг Земли увеличился.
Заключение
Наличие всемирного тяготения объясняет устойчивость Солнечной системы, движение планет и других небесных тел. С открытием закона всемирного тяготения к людям пришло понимание принципа строения вселенной. Ярчайшим примером применения закона всемирного тяготения является запуск искусственного спутника Земли. Спутник все время находится на равном расстоянии над поверхностью Земли. Земля притягивает одинаково во всех направлениях.
- Печать
Страницы: [1] Вниз
A A A A
Тема: Как рассчитывать формулу максимальной массы спутника (Прочитано 2317 раз)
0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.
По какой формуле можно рассчитать максимальную массу спутника который может вращаться вокруг планеты Х? Какие тогда должны быть известны данные о планете Х?
пОМОГИТЕ ПОЖАЛУЙСТА, СРОЧНО НАДО!!!!
« Последнее редактирование: 17 Июн 2009 [20:19:51] от Pluto »
Записан
«The only way to win World War III is to prevent it»-
Dwight Eisenhower.
Насколько я знаю, такой формулы нет. У астероидов и земноподобных планет (спутники которых образуются путем захвата или отрыва) соотношение масс может быть любым, вплоть до 1:1 (астероид Антиопа). У планет-гигантов (спутники которых образуются в основном из дисков, как планеты), должен быть верхний предел массы спутника, но он теоретически не определен (?). Эмпирические данные: Юпитер тяжелее своей спутниковой системы в 4800 раз, Сатурн в 4000, Уран в 9500, Нептун в 4800.
Записан
Если спутником планеты считаем только такие тела, центр масс которых с планетой находится внутри планеты, то необходимо знать массу планеты и ее радиус (либо массу и среднюю плотность, приняв форму планеты шарообразной). Но тогда Харон — не спутник Плутона
Записан
Насколько я знаю, такой формулы нет. У астероидов и земноподобных планет (спутники которых образуются путем захвата или отрыва) соотношение масс может быть любым, вплоть до 1:1 (астероид Антиопа). У планет-гигантов (спутники которых образуются в основном из дисков, как планеты), должен быть верхний предел массы спутника, но он теоретически не определен (?). Эмпирические данные: Юпитер тяжелее своей спутниковой системы в 4800 раз, Сатурн в 4000, Уран в 9500, Нептун в 4800.
Наиболее поразительной особенностью всех этих систем является то, что все отношения масс спутниковых систем весьма близки друг к другу, несмотря на громадное различие их пространственно-временных масштабов и состава. Между ними есть и ещё одна общность – спутники располагаются не как попадя, а в определённых положениях к наибольшему по массе спутнику http://astronomij.narod.ru/zakon20.htm . Всё это можно объяснить универсальным принципом формирования всех этих систем, при котором вначале формируется главный спутник, который помогает формированию всех остальных.
Записан
Насколько я знаю, такой формулы нет. У астероидов и земноподобных планет (спутники которых образуются путем захвата или отрыва) соотношение масс может быть любым, вплоть до 1:1 (астероид Антиопа). У планет-гигантов (спутники которых образуются в основном из дисков, как планеты), должен быть верхний предел массы спутника, но он теоретически не определен (?). Эмпирические данные: Юпитер тяжелее своей спутниковой системы в 4800 раз, Сатурн в 4000, Уран в 9500, Нептун в 4800.
Речь идет о спутниках планет-гигантов. На сайте Extrasolar visions у некоторых экзопланет указана максимальная масса спутника.Значит очень приблизительно предел определен
Записан
«The only way to win World War III is to prevent it»-
Dwight Eisenhower.
На сайте Extrasolar visions у некоторых экзопланет указана максимальная масса спутника.
Например?
Записан
Записан
Максимальная масса спутника <= массе обьекта вокруг которого вращается. Спутник ведь должен быть меньше по массе
Записан
Телескоп Алькор
Доб 150 мм в разработке
Возьмите двойные звезды, там отношение M1/M2 варируется в широких пределах. По крайней мере от 0.01 до 100.
Если звезды на ГП и одной массы то их различить не возможно, то кто из них спутник?
Возьмем пример ЧД и обычная звезда, опять отношение варируеся в пределах 0.1 — 10.
И кто из них кто?
По тому часто говорят не спутник, а компаньен.
Записан
На сайте Extrasolar visions у некоторых экзопланет указана максимальная масса спутника.
Например?
HD 168746 B
Max Moon Mass: < 0.0001 Earths
233.2015 x Phobos
HD 195019
Max Moon Mass: 0.3662 Earths 3
3.4085 x Mars
HD 37605
Max Moon Mass: 0.0056 Earths
2.6442 x Pluto
Записан
«The only way to win World War III is to prevent it»-
Dwight Eisenhower.
Записан
Записан
«The only way to win World War III is to prevent it»-
Dwight Eisenhower.
- Печать
Страницы: [1] Вверх
Характеристики планет Солнечной системы были известны еще в средневековье, во времена Кеплера и Галилея. То есть, массу планет приблизительно можно было определить даже простыми методами и инструментами. В современной астрономии есть несколько методов расчета характеристик планет, звезд, скоплений и галактик.
Планеты солнечной системы
Интересный факт: 99,9% всей массы Солнечной системы сосредоточена в самом Солнце. На все планеты вместе взятые приходится не более 0,01%. При этом из этих 0,01%, в свою очередь, 99% массы приходится на газовые гиганты (в том числе 90% только на Юпитер и Сатурн).
Содержание:
- 1 Рассчитываем массу Земли и Луны
- 2 Общие методики определения масс планет
- 3 Значения масс планет Солнечной системы
- 4 Определение масс звезд и галактик
Рассчитываем массу Земли и Луны
Чтобы измерить массу планет солнечной системы, проще всего в первую очередь найти значения для Земли. Как мы помним, ускорение свободного падения определяется по формуле F=mg, где m – масса тела, а F – действующая на него сила.
Параллельно вспоминаем универсальный закон всемирного тяготения Ньютона:
Сопоставив эти две формулы, и зная значение гравитационной постоянной 6,67430(15)·10−11 м³/(кг·с²), можно рассчитать массу Земли. Ускорение свободного падения на Земле мы знаем, 9,8 м/с2, радиус планеты тоже. Подставив все данные на выходе получим приблизительно 5,97 х 10²⁴ кг.
Земля и луна
Зная массу Земли, мы легко рассчитает параметры по другим объектам Солнечной системы – Луна, планеты, Солнце и так далее. С Луной вообще все довольно просто. Здесь достаточно учесть, что расстояния от центров тел до центра масс соотносятся обратно их массам. Подставив эти цифры для Земли и ее спутника получим массу Луны 7.36 × 10²² килограмма.
Перейдем теперь к методикам измерения массы планет земной группы – Меркурий, Венера, Марс. После чего рассмотрим газовые гиганты, и в самом конце – экзопланеты, звезды и галактики.
Общие методики определения масс планет
Наиболее классический способ, как узнать массу планет – расчет при помощи формул третьего закона Кеплера. Он гласит, что квадраты периодов обращения планет соотносятся так же, как кубы больших полуосей орбит. Ньютон немного уточнил этот закон, внеся в формулу массы небесных тел. На выходе получилась такая формула –
Таким способом можно найти массу всех планет Солнечной системы и самого Солнца.И периоды обращения, и большие полуоси орбит планет Солнечной системы легко измеряются астрономическими методиками, доступными даже без сложных инструментов. А так как массу Земли мы уже рассчитали, можно все цифры подставить в формулу и найти конечный результат.
В отношении же экзопланет и других звезд (но только двойных) в астрономии обычно применяется метод анализа видимых возмущений и колебаний. Он основан на том факте, что все массивные тела “возмущают” орбиты друг друга.
Такими расчетами были открыты планеты Нептун и Плутон, еще до их визуального обнаружения, как говорят “на кончике пера”.
Значения масс планет Солнечной системы
Итак, мы разобрались с общими методиками расчета масс разных небесных тел и посчитали значения для Луны, Земли и Галактики. Давайте теперь составим рейтинг планет нашей системы по их массе.
Возглавляет рейтинг с наибольшей массой планет Солнечной системы – Юпитер, которому не хватило одного порядка чтобы наша система стала двойной. Еще чуть-чуть и у нас могло быть два Солнца, второе вместо Юпитера. Итак, масса этого газового гиганта равняется 1,9 × 10²⁷ кг.
Интересно, что Юпитер – единственная планета нашей системы, центр масс вращения с Солнцем которой расположен вне поверхности звезды. Он отстоит примерно на 7% расстояния между ними от поверхности Солнца.
Вторая по массе планета – Сатурн, его масса 5,7 × 10²⁶ кг. Следующим идет Нептун – 1 × 10²⁶. Четвёртая по массе планета, газовый гигант Уран, масса которого – 8,7 × 10²⁵ кг.
Далее идут планеты земной группы, каменистые тела, в отличие от газовых гигантов с их большим радиусом и относительно малой плотностью.
Самой тяжелой из этой группы является наша планета, ее массу мы уже рассчитали. Далее идет Венера, масса этой планеты равняется 4,9 × 10²⁴ кг. После нее в рейтинге идет Марс, он почти в 10 раз легче – 6,4 × 10²³кг. И замыкает его, как планета самой маленькой массы, Меркурий – 3,3 × 10²³кг. Что интересно, Меркурий даже легче, чем два спутника в Солнечной системе – Ганимед и Каллисто.
Определение масс звезд и галактик
Для того чтобы найти характеристики одинарных звездных систем применяется гравиметрический метод. Его суть в измерении гравитационного красного смещения света звезды. Оно измеряется по формуле ∆V=0,635 M/R, где M и R – масса и радиус звезды, соответственно.
Косвенно можно также вычислить массу звезды по видимому спектру и светимости. Сначала определяется ее класс светимости по диаграмме Герцшпрунга-Рассела, а потом вычисляется зависимость масса/светимость. Такой способ не подходит для белых карликов и нейтронных звезд.
Масса галактик вычисляется в основном по скорости вращения ее звезд (или просто по относительной скорости звезд, если это не спиральная галактика). Все тот же всемирный закон тяготения Ньютона нам гласит, что центробежную силу звезд в галактике можно выразить в формуле:
Только в этот раз в формулу мы подставляем расстояние от Солнца до центра нашей галактики и его массу. Так можно рассчитать массу Млечного Пути, которая равняется 2,2 × 10⁴⁴г.
Не забываем, что эта цифра – это масса галактики без учета звезд, орбиты которых располагаются вне орбиты вращения Солнца. Поэтому для более точных расчетов берутся самые внешние звезды рукавов спиральных галактик.
Для эллиптических галактик способ нахождения массы схож, только там берется зависимость между угловым размером, скоростью движения звезд и общей массой.
поделиться знаниями или
запомнить страничку
- Все категории
-
экономические
43,662 -
гуманитарные
33,654 -
юридические
17,917 -
школьный раздел
611,985 -
разное
16,905
Популярное на сайте:
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
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:
,
где Тл и αл— 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.