Космические скорости. Движение планет и спутников

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«УЛЬЯНОВСКОЕ ВЫСШЕЕ АВИАЦИОННОЕ УЧИЛИЩЕ

ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ (ИНСТИТУТ) »

 

ФАКУЛЬТЕТ ПОДГОТОВКИ АВИАЦИОННЫХ СПЕЦИАЛИСТОВ

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Прикладная физика»

на тему «Космические скорости. Движение планет и спутников»

 

                             

                              Выполнил курсант группы АБ-13-1 Муратова К.И

           Проверил: кандидат ф.м.н. Гусаров.Г.Г

                  

 

 

 

Ульяновск 2014

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..3

1.Космические скорости………………………………………………………....4

2.Движение планет……………………………………………………………….6

Заключение……………………………………………………………………….8

Список используемых источников……………………………………………...9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В астрономии и динамике космического полета употребляются понятия трех космических скоростей.  

 Еще в глубокой древности  было замечено, что в отличие  от звезд, которые неизменно сохраняют  свое взаимное расположение в  пространстве в течение столетий, планеты описывают среди звезд  сложнейшие траектории. Для объяснения  петлеобразного движения планет  древнегреческий ученый К. Пталомей (II в.н. э.), считая Землю расположенной в центре Вселенной, предположил, что каждая из планет движется по малому кругу (эпициклу), центр которого равномерно движется по большому кругу, в центре которого находится Земля. Эта концепция получила название пталомеевой или геоцентрической системой мира.      

 В начале XVI века польским  астрономом Н. Коперником (1473–1543) обоснована  гелиоцентрическая система, согласно  которой движения небесных тел  объясняются движением Земли (а  также других планет) вокруг Солнца  и суточным вращением Земли. Теория  наблюдения Коперника воспринималась  как занимательная фантазия. В XVI в. это утверждение рассматривалось  церковью как ересь. Известно, что  Дж. Бруно, открыто выступивший в  поддержку гелиоцентрической системы  Коперника, был осужден инквизицией  и сожжен на костре.

Однако к началу XVII столетия большинство ученых убедились в справедливости гелиоцентрической системы мира.  
Иоганн Кеплер, обработав результаты многочисленных наблюдений, проведенных Тихо Браге (которого называют «человеком, измерившим небо»), получил законы движения планет вокруг Солнца.

 

 

 

Космические скорости

Для запуска ракет в космическое пространство надо в зависимости от поставленных целей сообщить им определённые начальные скорости, называемые космическими.

Первой космической (или круговой) скоростью называют такую минимальную скорость, которую надо сообщить телу, чтобы оно могло двигаться вокруг Земли по круговой орбите, т.е. превратиться в искусственный спутник Земли.

Спутником Земли может стать тело любой массы, лишь бы ему была сообщена достаточная скорость. Вычислим эту скорость для спутника, запускаемого вблизи поверхности Земли ( h=0 ).

На спутник, движущийся по круговой орбите радиусом R, действует сила тяготения Земли, сообщающая ему  нормальное ускорение а. По второму закону Ньютона, (М-масса Земли, m-масса тела) , отсюда ,где m — масса объекта, M — масса планеты, G — гравитационная постоянная,  — первая космическая скорость, R — радиус планеты. Подставляя численные значения (для Земли M = 5,97·1024 кг, R = 6 371 км), найдем

 7,9 км/с

Первую космическую скорость можно определить через ускорение свободного падения. Поскольку  , то

.

Такую скорость в горизонтальном направлении нужно сообщить телу у поверхности Земли, чтобы оно не упало, а стало её спутником, движущимся по круговой орбите. Эту скорость называют первой космической скоростью.

В 1957 году советским ученым впервые в истории человечества удалось с помощью мощной ракеты сообщить первую космическую скорость телу массой около 84 кг. Это тело и стало первым спутником Земли.

Движение спутников вокруг Земли происходит под действием только одной силы- силы всемирного тяготения, сообщающей спутнику и всем предметам, находящимся в нем, одинаковые ускорения. Это означает, что все тела в спутнике, в том числе и пассажиры, находятся в состоянии невесомости. 

Первой космической скорости недостаточно для того чтобы тело могло выйти из сферы земного притяжения. Необходимая для этого скорость называется второй космической. Второй космической (или параболической) скоростью называют ту наименьшую скорость, которую надо сообщить телу, чтобы оно могло преодолеть притяжение Земли и превратиться в спутник Солнца, т.е. чтобы его орбита в поле тяготения стала параболической.

Для того чтобы тело (при отсутствии сопротивления среды) могло преодолеть земное притяжение и уйти в космическое пространство, необходимо, чтобы его кинетическая энергия была равна работе, совершаемой против сил тяготения.

решая это уравнение относительно v2, получим

Между первой и второй космическими скоростями существует простое соотношение:

 

 v2= 11,2 км/с

 

Третьей космической скоростью называют скорость, которую необходимо сообщить телу на Земле, чтобы оно покинуло пределы Солнечной системы, преодолев притяжение Солнца. Третья космическая скорость равна 16,7 км/с. Сообщение телам таких больших начальных скоростей является сложной технической задачей. Её первое теоретическое осмысление начато К.Э. Циолковским, им было выведена формула, позволяющая рассчитывать скорость ракет.

Впервые космические скорости были достигнуты в СССР : первая- при запуске первого искусственного спутника Земли в 1957 году, вторая- при запуске ракеты в 1959 году. После исторического полета Ю.А. Гагарина в 1961 году, начинается бурное развитие космонавтики.

 

Движение планет

Планеты - это небесные тела, которые движутся вокруг Солнца, каждая по своей орбите. Всего вокруг Солнца движутся следующие девять сравнительно больших планет (перечислим их в порядке возрастания радиусов орбит): Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Кроме того, между орбитами Марса и Юпитера движется много малых планет – астероидов.

Орбиты всех планет представляют собой эллипсы.

Движение планет в сущности ничем не отличается от движения спутников Земли. Как и спутники, планеты движутся по своим орбитам  под действием силы тяготения. Только планеты, в том числе и Земля,- это спутники Солнца.

Согласно закону всемирного тяготения планеты должны притягиваться не только к Солнцу, но и друг к другу. Но массы планет, как ни велики они сами по себе, малы по сравнению с массой Солнца. Масса всех планет, вместе взятых, примерно в 700 раз меньше массы Солнца. Поэтому обычно пренебрегают притяжением планет друг к другу и учитывают лишь их притяжение к Солнцу. Но все же воздействие других планет, главным образом соседних, немного изменяет движение каждой планеты. Эти изменения невелики, но они позволили в свое время сделать важное открытие, которое являлось триумфом ньютоновского закона всемирного тяготения.

До середины прошлого века последней самой далёкой известной планетой был Уран. Наблюдения за движением планеты Уран показали, что эта планета движется не совсем так, как она должна была бы двигаться, если бы на неё действовали только силы притяжения к Солнцу и к другим известным планетам. Тогда  астрономы Адамс и Леверье предположили, что существует ещё одна планета, притяжение которой и является причиной того, что Уран движется не так, как следовало ожидать.

Пользуясь законом всемирного тяготения, можно было вычислить, где именно нужно искать эту неизвестную планету. В 1846 году астроном Галле действительно обнаружил в указанном месте новую планету, получившую название Нептун. Как говорят астрономы, Нептун был открыт на кончике пера.

Позже было выяснено, что одного Нептуна недостаточно, чтобы объяснить искажение движения планеты Уран, что должна существовать ещё одна планета. И опять удалось вычислить место на небесном своде, где нужно искать ещё неизвестную планету. В 1930 году и эта планета, названная Плутоном, была найдена и опять в том месте, которое было заранее вычислено.

Эти удивительные открытия показывают, насколько точен закон всемирного тяготения.

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Первой космической скоростью (круговой скоростью) называется наименьшая начальная скорость, которую нужно сообщить телу, чтобы оно стало искусственным спутником планеты; для поверхностей Земли, Марса и Луны первые космические скорости соответствуют приблизительно 7,9 км/с, 3,6 км/с и 1,7 км/с. Второй космической скоростью (параболической скоростью) называется наименьшая начальная скорость, которую нужно сообщить телу, чтобы оно, начав движение у поверхности планеты, преодолело ее притяжение; для Земли, Марса и Луны вторые космические скорости соответственно равны приблизительно 11,2 км/с, 5 км/с и 2,4 км/с. Третьей космической скоростью называется наименьшая начальная скорость, обладая которой тело преодолевает притяжение Земли, Солнца и покидает Солнечную систему; равна приблизительно 16,7 км/с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемых источников

1.Курс физики : учеб. Пособие для вузов / Таисия Ивановна Трофимова. –12-е изд., стер.- М. : Издательский центр «Академия» ,2006.- 560 с.

2.Физика : учебник для 8 класса средней школы /Исаак Константинович Кикоин, Абрам Константинович Кикоин.- 5-е изд., Москва «Просвещение», 1981.- 223 с.

3.Первая космическая скорость.- Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B5%D1%80%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BA%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C.- Заглавие с экрана.