fizikzauglom

9 КЛАСС · КРИВОЛИНЕЙНОЕ ДВИЖЕНИЕ И РАВНОВЕСИЕ

Динамика окружности и спутники

Центростремительная сила и первая космическая скорость.

26 минут7 карточек теории
Пройти урок с заданиями

Здесь собрана теория урока целиком, её можно читать без аккаунта. В интерактивном режиме та же теория идёт карточками, после неё идут вопросы с проверкой ответа и задачи, а прогресс сохраняется.

Разбираемся по шагам

Если тяготение всё время тянет спутник вниз, почему он не падает на землю? И почему космонавт внутри почти не давит на пол, хотя спутник явно находится под действием Земли?

Выстрел с горы: мысленный опытЗемляСлабееСильнееОрбитаvБез атмосферыДостаточная скорость — падение по орбите
Мысленный опыт без атмосферы: ядро запускают горизонтально с высокой горы. Красная и синяя траектории заканчиваются на поверхности Земли; при большей скорости ядро летит дальше. Зелёная окружность показывает подходящую круговую орбиту. Высота горы намеренно увеличена, сферическое поле Земли принято неизменным.

Кто поворачивает тело

Вспомним поворот: скорость направлена по касательной, а её изменение — к центру. Теперь спросим, какое взаимодействие создаёт это ускорение. Для спутника это тяготение, для груза на нити натяжение, для машины на плоской дороге трение. Во всех случаях важна направленная к центру составляющая суммы реальных сил. Если её не хватает при данных скорости и радиусе, заданный круговой путь не сохранится.

К центру направлены реальные силыFTООСпутникТяготениеНитьНатяжениеАвтомобильТрениеДве правые схемы — вид сверху
У спутника радиальную силу создаёт Земля. Для груза, вращающегося на нити по гладкому горизонтальному столу, это натяжение; для автомобиля на плоском повороте — трение покоя колёс. Две правые схемы даны сверху: отмечены центры окружностей, стрелки начинаются в телах и направлены к центрам. Вертикальные силы в виде сверху не показаны.

Не добавляй лишнюю силу

Нарисуем спутник и одну стрелку притяжения к Земле. Нужно ли добавлять «центростремительную силу»? Нет: это название роли уже нарисованной равнодействующей при равномерном круговом движении, а не новый участник взаимодействия. Две одинаковые стрелки означали бы двойной учёт тяготения. Полезная проверка любой схемы: можно ли назвать тело или поле, которое создаёт каждую указанную силу?

Одна сила — две характеристикиЗемляТяготениек центруFₙ = FтягНе сумма двух сил«Центростремительная» описывает роль
Если сопротивлением и другими телами пренебречь, на спутник действует только тяготение Земли. Оно выполняет роль центростремительной силы при круговом движении. Красная стрелка на схеме одна: обозначения Fтяг и Fₙ относятся к этой же силе, а не к двум слагаемым.

От ускорения к силе

Из кинематики знаем нужное ускорение aₙ = v²/r. По второму закону требуемая радиальная сила Fₙ = maₙ = mv²/r. Масса m в килограммах, v в м/с, r в метрах дают силу в ньютонах. При удвоении массы нужна удвоенная сила, при удвоении скорости — учетверённая. Более широкий поворот при той же скорости требует меньшей силы. Название силы меняется от задачи к задаче, эта зависимость остаётся.

Равномерное движение по окружностиОraₙvaₙ = v² / r; aₙ ⟂ v
При постоянном модуле скорости тело движется по окружности радиуса r. В выбранной точке скорость направлена вверх по касательной, ускорение aₙ=v²/r — к центру О. Оба вектора начинаются в точке тела и перпендикулярны. Радиус показан слева от центра, чтобы отличать его от стрелки ускорения; силы здесь отдельно не изображены.

Постоянное падение

Представь бросок горизонтально с большой высоты без воздуха. Пока тело летит вперёд, тяжесть отклоняет его вниз. У Земли поверхность тоже уходит вниз из-за кривизны. При подходящей касательной скорости и достаточной высоте тело всё время промахивается мимо поверхности: свободное падение продолжается по орбите. Сила не «держит спутник неподвижно наверху»; она постоянно поворачивает его скорость.

Касательная и круговая орбитаЗемляБез тяготенияvFтягАПо орбитепод действиемтяготенияРасстояние до центра остаётся постоянным
Спутник находится на круговой орбите, целиком вне Земли. В точке А скорость направлена вправо по касательной. Без тяготения движение продолжилось бы по серой прямой. Реальная траектория изгибается к центру из-за тяготения и остаётся на одном расстоянии от центра Земли.

Почему космонавт невесом

Теперь отпустим предмет внутри спутника. Он и сам спутник получают почти одинаковое ускорение от Земли, поэтому предмет не должен опираться на пол, чтобы двигаться вместе с кораблём. Контактная сила и вес почти нулевые: возникает невесомость. Это тот же принцип, что в падающем лифте. Гравитация на орбите остаётся значительной; небольшие различия поля и другие воздействия объясняют слово «почти».

Спутник и космонавт падают вместеЗемляvgВнутри спутникаgP ≈ 0g спутникаПочти одинаковое g; опора не удерживает
Спутник на круговой орбите и космонавт внутри него свободно падают с почти одинаковым ускорением к Земле. Справа показано увеличенное внутреннее пространство: космонавт не давит на пол, вес почти нулевой. Зелёные стрелки ускорения космонавта и спутника направлены влево, к Земле, и равны по длине. Гравитация не исчезает.

Скорость у поверхности

Для идеальной круговой орбиты у поверхности требуемое ускорение v₁²/R должно совпасть с g. Отсюда v₁ = √(gR): первая космическая скорость. R — радиус планеты, g — ускорение у её поверхности. Масса спутника сокращается, потому что тяготение и инертность растут с ней одинаково. При независимом удвоении g или R формула даёт рост скорости в √2 раза; на разных планетах сами g и R связаны распределением массы.

Круговая орбита у поверхностиv² : R = gv₁ = √(g · R)R — радиус планеты, g — у поверхностимасса спутника сокращается
Для круговой орбиты у самой поверхности ускорение свободного падения целиком идёт на поворот скорости, и из этого равенства получается корень из произведения ускорения на радиус.

Граница модели

Для Земли получается v₁ ≈ 7,9 км/с. Реальный аппарат не может облетать планету у самой поверхности с такой скоростью: мешают атмосфера и рельеф. Модель считает планету сферической, не учитывает её вращение и сопротивление воздуха. На более высокой круговой орбите берут расстояние от центра вместо R и местное ускорение тяготения вместо поверхностного g. Подставлять туда одну только высоту над землёй нельзя.

У поверхности и выше неёRhr = R + hУ поверхностиv₁ ≈ 7,9 км/сВыше поверхностиv = √(g(r) · r)Идеальная модель: без атмосферы и рельефа
Красным выделена поверхность сферической Земли радиуса R. Значение 7,9 км/с относится к идеальной круговой орбите непосредственно у поверхности без атмосферы, рельефа и вращения. Зелёная орбита выше: r = R + h измеряют от центра; в формуле v = √(g(r)r) берут тяготение на этой высоте.

Разные спутники

Два спутника массами 100 и 200 кг движутся по одной круговой орбите с одинаковой скоростью. Сравните ускорения и силы тяготения.

Одна орбита; одинаковые модули vrЗемля100 кгv200 кгvСравнить aₙ и силы тяготения
Спутники массами 100 и 200 кг показаны в двух точках одной круговой орбиты. Их скорости касательны окружности и равны по модулю. Земля, орбита и положения спутников сохраняются на всех шагах. Сравнить модули ускорений и силы тяготения.

Разбираем пример · 1

По условию радиус орбиты и скорость одинаковы. Поэтому aₙ = v²/r у спутников 100 и 200 кг одинаково: их векторы скорости поворачиваются одинаково быстро.

Равны модули ускоренийrЗемля100 кгvaₙ200 кгvaₙaₙ₁ = aₙ₂ = v² / rНаправления — к общему центру
На той же орбите r и модуль v у спутников одинаковы. Поэтому одинаковы модули ускорений aₙ = v²/r. Зелёные стрелки равны по длине и направлены к центру Земли из разных точек: их направления различны. Масса в формулу aₙ не входит.

Разбираем пример · 2

Чтобы сообщить одно ускорение вдвое большей массе, нужна вдвое большая сила: F₂/F₁ = m₂/m₁ = 200/100 = 2.

Одинаковое aₙ; массы отличаются вдвоеrЗемля100 кгvF200 кгv2FFₙ = maₙ; F₂ = 2F₁Сравниваем модули сил
Сохраняются прежние орбита, положения и скорости. При равных модулях ускорений спутнику 200 кг требуется вдвое большая радиальная сила, чем спутнику 100 кг. Красные стрелки начинаются в центрах спутников, направлены к Земле и имеют длины в отношении 1:2.

Разбираем пример · 3

Тяготение Земли пропорционально массе спутника и обеспечивает именно это отношение. Масса одновременно увеличивает силу и инертность, поэтому ускорение не меняется.

Эти силы создаёт тяготение ЗемлиrЗемля100 кгvF200 кгv2FFтяг = GMm / r²M и r одинаковы; F₂ / F₁ = 2
На той же орбите Земля действует на спутники силами GMm/r². Общие M и r сохранены, поэтому сила на спутник 200 кг вдвое больше силы на спутник 100 кг. Эти же силы создают круговое движение: отдельная центростремительная сила не добавляется.

Проверим результат

Модули ускорений спутников равны; в каждой точке ускорение направлено к центру Земли. На спутник массой 200 кг действует вдвое большая сила тяготения, чем на спутник массой 100 кг.

Главное · 1

Центростремительная сила — требуемая роль суммы реальных сил; отдельного нового взаимодействия нет.

Главное · 2

Спутник непрерывно падает, а совместное падение корабля и космонавта объясняет невесомость.

Главное · 3

v₁ = √(gR) относится к идеальной круговой орбите у поверхности; для другой высоты нужно другое расстояние и поле.

Куда пойдём дальше

Для неподвижных протяжённых тел понадобится учесть ещё и поворот сил.

Основные понятия

3 понятия

Центростремительная сила

Так называют равнодействующую сил, направленную к центру и создающую центростремительное ускорение.

Это не новая особая сила: её роль могут выполнять тяготение, натяжение, трение или их сумма.

Искусственный спутник

Тело движется по орбите, когда гравитация непрерывно сообщает ему ускорение к центру планеты.

Спутник находится в длительном свободном падении и всё время промахивается мимо поверхности из-за горизонтальной скорости.

Первая космическая скорость

Минимальная скорость круговой орбиты у поверхности планеты без учёта атмосферы и вращения.

Для Земли значение близко к 7,9 км/с и получается из равенства гравитационного и центростремительного ускорений.

Физические величины

2 величины

Центростремительная сила

F_n

Равнодействующая сил, направленная к центру окружности.

Единица: ньютон · \mathrm{Н}

Первая космическая скорость

v_1

Скорость круговой орбиты у поверхности планеты.

Единица: метр в секунду · \frac{\mathrm{м}}{\mathrm{с}}

Формулы урока

2 формулы

Центростремительная сила

F_n=m\frac{v^2}{r}

Равнодействующая к центру равна массе, умноженной на квадрат скорости и делённой на радиус.

Первая космическая скорость

v_1=\sqrt{gR}

Скорость круговой орбиты у поверхности равна квадратному корню из произведения g на радиус планеты.

Проверьте зависимость

Сначала сделайте прогноз. Кнопка изменит указанную величину; затем сравните результат и исследуйте другие значения.

Равномерное движение по окружности

ω = v/R; x = R cos(ωt); y = R sin(ωt); a = v²/R; T = 2πR/v (v > 0)

Материальная точка движется против часовой стрелки по окружности с постоянным модулем скорости; при t = 0 она в точке (R, 0). Стрелки показывают направления, их длины условны. Это кинематическая модель: источник силы не задан. При v = 0 точка покоится, период не определяется.

При R = 2 м модуль скорости увеличили с 2 до 4 м/с. Как изменится модуль ускорения?

Ваш прогноз

Исходные значения

Показать векторы
xyOR = 2 мva
0-2,482,5-1,24507,51,24102,48vₓ, vᵧ, м/сt, с
vₓ vᵧ

Результат расчёта

|v|
2 м/с
a
2 м/с²
T
6,283 с
vₓ
0 м/с
vᵧ
2 м/с
Объяснение результата

При удвоении v модуль ускорения увеличивается в четыре раза: с 2 до 8 м/с². При неизменном v удвоение R вдвое уменьшает a. Скорость направлена по касательной, ускорение — к центру и перпендикулярно скорости. Графики vₓ и vᵧ меняются, но √(vₓ² + vᵧ²) = v постоянно. На круговой орбите такое ускорение должно обеспечиваться реальной равнодействующей силой.

Связанные формулы

Те же формулы в справочнике, с обозначениями и единицами.

Задачи по теме

Условия, варианты ответа и разбор решения.