Как найти скорость ракеты относительно земли

В процессе урока, учащиеся должны совместно с
учителем разбирать и решать предложенный задачи по изучаемой теме; после
решения задач, учащимся даётся тест для самостоятельного выполнения.

1.Чему равна длина космического корабля, движущегося со скоростью 0,8 с. Длина покоящегося корабля 100 м. 

Содержание:

Реактивное движение:

Одним из наиболее ярких проявлений и практического применения закона сохранения импульса является реактивное движение. Это движение, которое возникает, когда от системы отделяется и движется с некоторой скоростью относительно нее какая-то ее часть. В живой природе так движется осьминог (рис. 121), выбрасывая воду.

Типичным примером реактивного движения может служить движение ракет.

На рисунке 122 схематично представлено устройство ракеты. В головной ее части 1 помещается полезный груз. Это может быть боезаряд, навигационное оборудование для управления движением боевой ракеты. В космическом корабле в головной части помещаются космонавты, научные приборы, система обеспечения жизнедеятельности, система навигационного оборудования и т. п. В части 2 находится запас топлива и окислителя, а также различные системы управления. Топливо и окислитель подаются в камеру сгорания 3, где топливо сгорает и превращается в газ, имеющий высокую температуру. Реактивное сопло 4 формирует реактивную струю, движущуюся с большой скоростью относительно ракеты. Газ в камере и все остальное, что составляет ракету, можно рассматривать как систему двух взаимодействующих тел.

Будем пока считать, что силы притяжения к Земле отсутствуют. Тогда ракета представляет собой замкнутую систему, и перед стартом ее общий импульс относительно Земли равен нулю. Газ, вырывающийся из сопла, имеет определенный импульс. Поэтому оставшаяся часть ракеты по закону сохранения импульса получает импульс, равный по модулю импульсу газа, но противоположный по направлению. На рисунке 122 стрелками показаны силы давления газа, сообщающие ракете этот импульс.

Закон сохранения импульса позволяет оценить скорость ракеты и силу, действующую на нее. Предположим, что за некоторый промежуток времени Δt из сопла вырывается масса газа Δm со скоростью относительно ракеты, тогда, обозначив массу ракеты через M, по закону сохранения импульса можно записать: 

где — скорость ракеты.
Величину  можно переписать следующим образом:

Но — масса газа, которая выбрасывается из ракеты в единицу времени. Нетрудно убедиться, что величина имеет размерность силы, и она называется реактивной силой. Реактивная сила равна произведению массы газа, вырывающегося из сопла в единицу времени, и скорости струи газа.

Следовательно, чтобы реактивная сила была максимальной, нужно повышать скорость газовой струи. В современных ракетах она может достигать 4,5 .
Уравнение (1) можно записать в виде

     (2)

где в правой части стоит импульс реактивной силы , который увеличивает скорость ракеты. Из (2) следует, что скорость ракеты направлена в сторону, противоположную скорости выбрасываемых газов.

Вследствие вылета газов масса ракеты все время уменьшается. Так что масса космического корабля, которая может быть выведена на орбиту искусственного спутника Земли, составляет малую долю его первоначальной массы. Например, при скорости космического корабля, равной первой космической, точный расчет показывает, что для одноступенчатых ракет при скорости вылета газов относительно ракеты 2 отношение массы топлива к полезной массе равно 55. Если скорость газовой струи 3 , то отношение масс равно 14.

Ракеты известны давно. Впервые о них упоминается в китайских хрониках 1150 г. Естественно, что такое интересное явление, как движение ракет, изучалось многими учеными. Так, в 1650 г. в Амстердаме вышла книга «Великое искусство артиллерии» генерал-лейтенанта польской армии К. Семеновича, уроженца Беларуси. В ней была глава, посвященная описанию движения ракет и их конструкций. Эта книга практически одновременно была переведена на основные европейские языки.

Большой вклад в теорию движения ракет внесли русские ученые И. В. Мещерский и К. Э. Циолковский. В 1903 г. К. Э. Циолковский впервые предложил и теоретически обосновал идею использования ракет для космических полетов. Им была получена формула, сейчас носящая его имя, позволяющая оценить запас топлива, который должен быть в ракете, чтобы она стала искусственным спутником Земли. В 1904 г. И. В. Мещерским было получено уравнение, с помощью которого можно описать движение ракет.

Идея К. Э. Циолковского была осуществлена советскими учеными под руководством С. П. Королева. Первый в истории искусственный спутник Земли массой 84 кг был запущен с помощью ракеты в Советском Союзе 4 октября 1957 г. Первым человеком, который совершил космический полет, был гражданин СССР Ю. А. Гагарин. 12 апреля 1961 г. он облетел земной шар за 108 мин на корабле-спутнике «Восток».

Советские ракеты первыми достигли Луны, первыми облетели Луну и сфотографировали ее невидимую с Земли сторону, первыми достигли планеты Венера.

В 1969 г. американский астронавт Н. Армстронг впервые в истории человечества ступил на поверхность другого небесного тела — Луны. Американские астронавты совершили несколько полетов на Луну с выходом на ее поверхность и длительным (до трех земных суток) сроком пребывания на ней.

Началось практическое освоение космоса. Ряд стран запустили искусственные спутники Земли, предназначенные для связи, телевидения, наблюдения за погодой, научных и других целей. Так, с помощью приборов, установленных на искусственных спутниках Земли, был обнаружен дрейф континентов. Было доказано, что расстояние между побережьями Африки и Америки увеличивается на несколько сантиметров в год.

Белорусские ученые тоже внесли свой вклад в освоение космоса. Группа ученых под руководством академика Л. И. Киселевского создала ряд научных приборов, побывавших в космосе. Ученые Института тепломассообмена HAIl Беларуси рассчитали тепловую защиту космических кораблей. Командирами космических кораблей типа «Союз» и орбитальных станций «Салют» были и уроженцы Беларуси, летчики-космонавты, дважды Герои Советского Союза П. И. Климук и В. В. Коваленок.

Главные выводы

1. Изменение скорости ракеты обусловлено действием реактивной силы, создаваемой струей газа, вытекающей из сопла.
2. Движение ракет (реактивное движение) объясняется выполнением закона сохранения импульса.
3. Реактивная сила равна произведению массы газа, вырывающегося из сопла в единицу времени, и скорости струи газа относительно ракеты.

Что такое реактивное движение

Мы уже знаем, что тела образуют замкнутую систему, если взаимодействуют только друг с другом. Не изменяя механического состояния системы в целом, взаимодействие может приводить к изменению механического состояния тел, составляющих систему.

В качестве примера рассмотрим резиновый шарик с газом, лежащий на столе. Его можно считать замкнутой системой, поскольку сила тяжести, сила Архимеда и сила реакции стола компенсируют друг друга. Механическое состояние такой системы не изменяется. Если же в стенке шарика сделать отверстие, через которое газ будет выходить наружу, он начнет двигаться в направлении, противоположном направлению вытекания газа (рис. 2.55). Такое перераспределение массы системы в пространстве вызывает изменение скоростей обеих ее частей (системы).

Подобное наблюдается и в случае, когда с неподвижной лодки, находящейся на воде, бросить весло (или другой предмет определенной массы) в направлении кормы. Следствием такого действия будет перемещение лодки в противоположном направлении.

Движение резинового шарика, из которого вытекает газ, и движение лодки, из которой выбрасывают весло, происходят вследствие отделения от системы какой-то ее части.

Движение, происходящее вследствие отделения от системы ее части с некоторой скоростью, называют реактивным.

Примеры реактивного движения можно найти и в природе. Так, кальмар для осуществления быстрого перемещения набирает воду в полость своей мантии и резким сокращением мышц выбрасывает ее наружу (рис. 2.56).

Среди растений известен так называемый «бешеный» огурец. При созревании плода его семена выбрасываются наружу в одну сторону, а оболочка отлетает в другую (рис. 2.57).

Человек освоил принцип реактивного движения и применяет его в реактивных летательных аппаратах — ракетах и самолетах.
Основная часть ракеты — реактивный двигатель, имеющий камеру сгорания и сопло — отверстие, через которое выходят газы, образовавшиеся при сгорании топлива (рис. 2.58).

Если двигатель работает на жидком топливе, специальные насосы подают топливо и окислитель с баков, расположенных на ракете, в камеру сгорания, в результате чего происходит быстрое сгорание топлива и выброс газов через сопло (рис. 2.59).

Существуют ракеты, у которых топливо и окислитель находятся непосредственно в камере сгорания в твердом состоянии (рис. 2.60). При сгорании топлива образуется раскаленный газ, создающий давление на стенки и дно камеры. Там, где камера сгорания переходит в сопло, такое давление отсутствует.

Сила давления на дно камеры сгорания является реактивной силой тяги двигателя, изменяющей импульс ракеты.

Чем дольше работает двигатель, тем большую скорость набирает ракета. Измерить силу давления газов на дно камеры сгорания по многим причинам очень сложно. Поэтому движение ракеты рассчитывают по закону сохранения импульса.

Если ракету с топливом считать замкнутой системой, то ее начальный импульс в системе, связанной с ее центром масс, равен нулю. Как только начинает работать двигатель, раскаленные газы выходят из сопла, приобретают определенный импульс а ракета —

Расчеты на основании закона сохранения импульса показывают, что увеличить скорость ракеты можно увеличив или массу топлива, или скорость вытекания газов, поскольку

Устройства, использующие принцип реактивного движения, широко применяются в современной жизни: реактивные самолеты, военная и космическая техника и пр.

Значительный вклад в развитие реактивной техники сделали украинские ученые и инженеры, среди которых следует назвать генерала царской армии по происхождению украинца А.Д. Засядько, изобретателя Н.И. Кибальчича, академика В.П. Глушко и др. Украина принадлежит к немногим странам, которые создают современную ракетную технику для освоения космоса. На «Южмаше» в Днепропетровске создают ракеты «Зенит», при помощи которых на околоземную орбиту выводят искусственные спутники различного назначения.

• Заказать решение задач по физике

Определение реактивного движения

Интересный и важный случай практического использования закона сохранения импульса — это реактивное движение. Так называют движение тела, возникающее при отделении от тела с определенной скоростью некоторой его части.

Реактивное движение осуществляют, например, ракеты. Любая ракета — это система двух тел. Она состоит из оболочки и топлива, которое в ней находится. Оболочка имеет форму трубы, один конец которой закрыт, а второй открыт и обеспечен трубчатой насадкой с отверстием особенной формы — реактивным соплом.

Топливо при запуске ракеты сжигается и превращается в газ высокого давления и высокой температуры. Благодаря высокому давлению этот газ с большой скоростью вырывается из сопла ракеты. Оболочка ракеты движется при этом в противоположную сторону (рис. 290).

Перед стартом ракеты ее общий импульс (оболочки и топлива) в системе координат, связанной с Землей, равен нулю, ракета не движется относительно Земли. В результате взаимодействия газа и оболочки, которая выбрасывает газ, она приобретает определенный импульс. Будем считать, что сила притяжения практически не влияет на движение, поэтому оболочку и топливо можно рассматривать как замкнутую систему и их общий импульс должен и после запуска остаться равным нулю. Оболочка, в свою очередь, благодаря взаимодействию с газом приобретает импульс, который равен по модулю импульсу газа, но противоположно направленного. Вот почему в движение приходит не только газ, но и оболочка ракеты. В ней могут быть размещены научные приборы для исследований, средства связи. В ракете может размещаться космический корабль, в котором находятся космонавты или астронавты.

Закон сохранения импульса дает возможность определить скорость движения ракеты (оболочки).

Допустим сначала, что весь газ, который образуется при сгорании горючего, выбрасывается из ракеты сразу, а не вытекает постепенно.

Обозначим всю массу газа, в который превращается топливо в ракете, через , а скорость газа — через . Массу и скорость движения оболочки обозначим через По закону сохранения импульса сумма импульсов оболочки и газа после запуска должна быть такой же, как до запуска ракеты, то есть должна быть равна нулю. Следовательно, или (координатная ось Оу выбрана в направлении движения оболочки). Отсюда определим скорость движения оболочки:

Из формулы видно: чем больше скорость вытекания газа и чем больше отношение массы топлива к массе оболочки, тем скорость движения оболочки ракеты больше. Поэтому достаточно большую скорость оболочка получит в том случае, если масса топлива намного больше массы оболочки. Например, чтобы скорость движения оболочки была по абсолютному значению в 4 раза больше скорости вытекания газа, необходимо, чтобы масса топлива была во столько же раз больше массы оболочки, то есть оболочка должна составлять пятую часть всей массы ракеты на старте. Ведь «полезная» часть ракеты — это сама оболочка.

С создания ракет началось активное освоение космоса. Украинский авиаконстуктор Сергей Павлович Королев и его коллеги создали ракету-носитель «Восток», и 12 апреля 1961 г. человек вышел в космическое пространство. Это был Юрий Гагарин.

Украина входит в состав космических государств мира благодаря высокому уровню научно-технического и производственного потенциала, участию в международной космической деятельности.

В марте 1999 г. состоялся первый пуск украинской ракеты-носителя «Зенит-ЗвЬ» по международной программе «Морской старт». Украина вместе с США, Норвегией и Россией стала участницей грандиозного проекта запусков с плавучего космодрома в Мировом океане.

В декабре 2004 г. были выведены в космос спутники дистанционного зондирования Земли серии «Сич», «Сич-1М» и первый украинский малогабаритный космический аппарат «МС-1-ТК».

За 15 лет работы Национального космического агентства Украины (сейчас Государственное космическое агентство Украины) и предприятий украинской космической отрасли было обеспечено более 100 пусков ракет-носителей и выведено в космос более 180 космических аппаратов.

В октябре 2016 г. с о. Уоллопс (штат Вирджиния, США) состоялся успешный запуск модернизированной ракеты-носителя среднего класса Antares-230 с транспортным космическим кораблем Cygnus. Главным разработчиком ракеты-носителя является американская компания Orbital АТК, а основную конструкцию ее первой ступени создали украинские госпредприятия космической отрасли КБ «Южное» им. М.К. Янгеля и ПО «Южный машиностроительный завод им. А.М. Макарова» (г. Днепр) в кооперации с предприятиями «Хартрон-АРКОС» (г. Харьков), «Хартрон-ЮКОМ» (г. Запорожье), «ЧЕЗАРА», «РАПИД» (г. Чернигов) и т. п.

Украинские специалисты занимались модернизацией первой степени ракеты-носителя Antares, адаптируя эту степень к новому, более эффективному двигателю.

Грузовой корабль Cygnus доставил на Международную космическую станцию свыше 2 т груза (образцы для проведения научных экспериментов, научные инструменты и продовольствие), а также оборудование для вывода в космическое пространство миниатюрных спутников. Астронавт-ка NASA Кейт Рубине сделала снимки стыковки корабля с Международной космической станцией, которые были опубликованы на официальной странице астронавтов агентства в Twitter (рис. 291).

Примеры решения задачи

Пример №1

Снаряд разорвался в верхней точке траектории на два осколка одинаковой массы. Скорость движения снаряда непосредственно перед взрывом была а скорость движения одного из осколков сразу после взрыва и направлена вертикально вверх. Вычислите значение и направление скорости второго осколка в момент взрыва.

Решение:

Поскольку при взрыве снаряда возникают большие внутренние силы и время их действия очень мало, то внешней силой притяжения можно пренебречь и считать систему на время взрыва замкнутой. По закону сохранения импульса:

Перепишем это уравнение в проекциях на координатные оси:

Учитывая, что по условию задачи
получим:
Тогда

Второй осколок полетит со скоростью вниз под углом а = 45° к горизонту.

Пример №2

Мальчик массой 50 кг движется от носовой части к корме лодки массой 150 кг со скоростью 0,6 м/с относительно лодки. С какими скоростями движутся при этом лодка и мальчик относительно воды? Сопротивлением воды пренебречь.
Дано:

    

Решение:

Поскольку равнодействующая сил притяжения и архимедовой силы, действующих на лодку, равна нулю, система тел «лодка-мальчик» является замкнутой. Силой сопротивления воды, возникающей при движении лодки, пренебрежем, поскольку при малых скоростях эта сила небольшая. Применим закон сохранения импульса относительно системы отсчета, связанной с неподвижной водой. Импульс системы до начала движения мальчика равен нулю.

За положительное направление оси Ох выберем направление движения лодки. Относительно воды проекция импульса лодки на ось Ох равна , а импульса мальчика — соответственно скорости движения мальчика и лодки относительно воды. Из закона сложения скоростей следует, что

Запишем теперь закон сохранения импульса:

Отсюда скорости лодки и мальчика относительно воды равны:

Ответ: скорость движения лодки равна 0,15 м/с, а скорость движения мальчика 0,45 м/с.

Любой предмет, будучи подброшенным вверх, рано или поздно оказывается на земной поверхности, будь то камень, лист бумаги или простое перышко. В то же время, спутник, запущенный в космос полвека назад, космическая станция или Луна продолжают вращаться по своим орбитам, словно на них вовсе не действует сила притяжения нашей планеты. Почему так происходит?

На нашей Земле всемирное тяготение воздействует на любое материальное тело. Тогда логично будет предположить, что есть некая сила, нейтрализующая действие гравитации. Эту силу принято называть центробежной.

Центробежную силу легко ощутить привязав на один конец нитки небольшой груз и раскрутив его по окружности. При этом чем больше скорость вращения тем сильнее натяжение нити, а чем медленнее вращаем мы груз тем больше вероятность, что он упадет вниз.

Таким образом мы вплотную приблизились к понятию «космическая скорость». Простыми словами — это скорость, позволяющая любому объекту преодолеть тяготение небесного тела и их системы.  Космические скорости используются для характеристики типа движения космического аппарата в сфере действия небесных тел: Солнца, Земли и Луны, других планет и их естественных спутников, а также астероидов и комет.

Это также значит, что космическая скорость есть у каждого объекта, который движется по орбите. Размер и форма орбиты космического объекта зависят от величины и направления скорости, которую данный объект получил на момент выключения двигателей, и высоты, на которой произошло данное событие.

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 небесного тела и не падать на его поверхность);
• v2 — преодолеть гравитационное притяжение небесного тела и начать двигаться по параболической орбите;
• v3 — покинуть при запуске планету, преодолев притяжение Звезды;
• v4 — при запуске из планетной системы объект покинул Галактику.

Космические скорости могут быть рассчитаны для любого удаления от центра Земли. Однако в космонавтике часто используются величины, рассчитанные конкретно для поверхности шаровой однородной модели Земли радиусом 6371 км.

Первая космическая скорость

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.

Формула

где   G — гравитационная постоянная (6,67259·10−11 м³·кг−1·с−2), — первая космическая скорость. Подставляя численные значения (для Земли M = 5,97·1024 кг, R = 6 378 км), найдем

7,9 км/с

Первую космическую скорость можно определить через ускорение свободного падения —

Вторая космическая скорость

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.
• для Луны скорость убегания равна 2,4 км/с, несмотря на то, что в действительности для удаления тела на бесконечность с поверхности Луны необходимо преодолеть притяжение Земли, Солнца и Галактики.

Параболической вторая космическая скорость называется потому, что тела, имеющие вторую космическую скорость, движутся по параболе.

Формула

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 .

Третья космическая скорость

Третья космическая скорость — минимально необходимая скорость тела без двигателя, позволяющая преодолеть притяжение Солнца и в результате уйти за пределы Солнечной системы.

Только на космических кораблях, которым доступны такие скорости, принципиально могут быть осуществлены пилотируемые межзвёздные перелёты к планетным системам других звёзд.

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).  Если к тому же учесть притяжение других планет, которое может как ускорить, так и притормозить аппарат, то диапазон возможных значений 3-й космической скорости станет еще больше.

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.

Четвёртая и пятая космическая скорости

Четвёртая космическая скорость — минимально необходимая скорость тела без двигателя, позволяющая преодолеть притяжение галактики Млечный Путь. Она используется довольно редко.

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.

Ещё реже в некоторых источниках встречается понятие «пятая космическая скорость». Это скорость, позволяющая добраться до иной планеты звездной системы вне зависимости от разности плоскостей эклиптики планет. Например, для Солнечной системы и, конкретно, для Земли, чтобы орбита межпланетного перелета была перпендикулярной к земной орбите, нужна скорость запуска 43,6 километра в секунду.

Видео

---

---

Источники

https://ru.wikipedia.org/wiki/Космическая_скорость

https://mirznanii.com/a/9233/kosmicheskie-skorosti

http://www.astronet.ru/db/msg/1162252

https://fb.ru/article/54389/kosmicheskaya-skorost

Специальную теорию относительности мало кто понимает в полной мере. Тем не менее, решать простейшие задачи по СТО может научиться каждый. Приведем в этой статье несколько примеров задач по специальной теории относительности с решением.

Подпишитесь на наш телеграм, там много полезной и интересной информации. А если хотите получить скидку на заказ, ищите ее на нашем втором канале для клиентов.

Задачи на специальную теорию относительности с решением

Если не знаете, с чего начать решение физических задач, повторите памятку по решению и держите под рукой полезные формулы.

Задача №1 на СТО Эйнштейна

Условие

Чему равна длина космического корабля, движущегося со скоростью 0,9с? Длина покоящегося корабля 100 м.

Решение

Для решения этой простейшей задачи нужно использовать преобразования Лоренца:

l=l01-v2c2l=1001-0,9с2с2=43,5 м

Ответ: 43,5 м

Задача №2 на СТО Эйнштейна

Условие

Ускоритель сообщил радиоактивному ядру скорость 0,4с (0,4 от скорости света в вакууме). В момент вылета из ускорителя ядро выбросило в направлении своего движения β — частицу со скоростью 0,75с относительно ускорителя. Определите скорость частицы относительно ядра. Ответ дать в мегаметрах за секунду.

Решение

Для решения этой задачи нужно использовать релятивистский закон сложения скоростей:

vx=vx’+v1+vx’·vc2

Здесь vx — скорость частицы в системе отсчета, связанной с ускорителем, vx’ — c скорость частицы в системе отсчета, связанной с ядром, v — скорость одной системы отсчета относительно другой.

Тогда скорость частицы относительно ядра будет равна:

vx’=vx-v1-vx·vc2vx’=0,75с-0,4с1-0,75с·0,4сс2=с2=1,5·108 мс=150 М мс

Ответ: 150 М мс.

Задача №3 на СТО Эйнштейна

Условие

На сколько процентов полная энергия протона, вылетающего из ускорителя со скоростью 0,8с, больше его энергии покоя?

Решение

Для решения этой задачи найдем энергию покоя протона W0, его полную релятивистскую энергию W, а затем вычислим их соотошение  ∆WW0, где ∆W=W-W0.

Получаем:

∆WW0=W-W0W0=WW0-1

W0=mc2

W=mc21-v2c2

∆WW0=mc2mc21-v2c2-1=11-v2c2-1

∆WW0=11-0,8с2с2-1=11-0,64-1=0,67

Ответ: полная энергия больше энергии покоя на 67%.

Задача №4 на СТО Эйнштейна

Условие

Чему равна будет масса космонавта, движущегося в космическом корабле со скоростью 0,8с? Масса покоящегося космонавта 90 кг.

Решение

Для решения задачи используем преобразования Лоренца для массы:

m=m01-v2c2

m=901-0,8с2с2=900,6=150 кг

Ответ: 150 кг.

Задача №5 на СТО Эйнштейна

Условие

С космического корабля, удаляющегося от Земли со скоростью 0,7с, стартует ракета в направлении движения корабля. Скорость ракеты относительно Земли 0,96с. Чему равна скорость ракеты относительно Земли?

Решение

Обозначим v – скорость движения корабля относительно Земли, v1 – скорость ракеты относительно космического корабля, v2 – скорость ракеты относительно Земли. Тогда v=0,7с, v2=0,96с.

На основании релятивистского закона сложения скоростей имеем:

v2=v1+v1+v1vc2v1+v=v21+v1vc2v1c2+vc2=v2c2+v·v1v1=c2v-v2vv1-c2=c20,7с-0,96с0,7с·0,96с-с2=0,8с

Ответ: 0,8с

Вопросы по теме СТО

Вопрос 1. Что такое специальная теория относительности? Какие задачи она решает?

Ответ. Теория относительности – физическая теория пространства и времени. В частной (специальной) теории относительности рассматриваются только инерциальные системы отсчета. Явления, описываемые теорией относительности, называются релятивистскими (от лат. «относительный») и проявляются при скоростях, близких к скорости света в вакууме (эти скорости тоже принято называть релятивистскими).

Вопрос 2. Сфомулируйте принцип относительности Эйнштейна

Ответ. Принцип относительности Эйнштейна гласит:

«Никакими физическими экспериментами (механическими, электрическими, оптическими) невозможно определить в любой инерциальной системе отсчета, движется ли эта система равномерно и прямо, или она находится в покое».

Не только механические, но и все физические законы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Нужно больше вопросов по физике? Загляните в наш блог!

Вопрос 3. В основе специальной теорит относительности лежат два постулата, выдвинутых Эйнштейном. Сформулируйте их.

Ответ. 

1. Первый постулат является естественным обобщением принципа относительности Галилея с механических на все в отсутствие исключения явления природы и может быть сформулирован как утверждение о невозможности наблюдателю, находящемуся в замкнутой системе отсчета, с помощью какого-либо физического (а значит и любого другого) опыта установить, покоится ли его система отсчета или находится в состоянии равномерного прямолинейного движения. 
2. Вторым постулатом Эйнштейна является утверждение о постоянстве скорости света и ее инвариантности во всех системах отсчета. Этот факт неоднократно проверялся в точных экспериментах.

Вопрос 4. Какие выводы делаются из постулатов относительности?

Ответ. На основе сформулированных постулатов Эйнштейна пересматриваются все коренные положения классической механики (кинематики). Понятия одновременности событий, длительности временного промежутка и длины отрезка перестают носить абсолютный характер, становясь зависимыми от выбора системы отсчета, в которой ведется наблюдение.

В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением при низких скоростях.

Вопрос 5. В чем смысл преобразований Лоренца?

Ответ. При скоростях, близких к скорости света, преобразования Лоренца приходят на смену классическим преобразованиям Галилея.

Нужна помощь в решении задач по физике и выполнении других заданий? Обращайтесь за ней в профессиональный сервис для учащихся в любое время.

Если мы подбросим камень в воздух – он упадет на Землю. Если у самолета на высоте 10 километром отключаться двигатели – он тоже упадет на Землю. Но спутники и космические корабли, что мы запускаем в космос, не падают. Почему?

Все дело в том, с какой скоростью тот или иной объект удаляется от планеты. Хватит ли этому объекту энергии преодолеть притяжение планеты.

Первая космическая скорость

Это та самая минимальная скорость для выхода корабля или спутника на круговую орбиту, равную радиуса планеты, без учета вращения планеты и сопротивления ее атмосферы.

Если скорость будет превышать первую, но не достигнет второй космической скорости, то траектория тела из круговой начнет переходить в эллиптическую.

Впервые такую скорость смог достичь первый искусственный спутник Земли «Спутник-1» СССР 4 октября 1957 года.

Расчет

Вторая космическая скорость

Это минимальная скорость, которую следует придать телу для того, чтобы оно покинуло замкнутую орбиту и смогло улететь от небесного тела за пределы его гравитационного поля.

Иными словами, для Земли, это та скорость, с которой должны двигаться космические аппараты (КА) для полетов к другим объектам Солнечной системы: Луны, Марса и т.д.

Движение тела на второй космической скорости происходит по параболической траектории.

Впервые такую скорость развил Советский космический аппарат Луна-1 2 января 1959 года, чтобы преодолеть расстояние от Земли до Луны и изучить наш естественный спутник.

Расчет

Третья космическая скорость

Такую скорость необходимо придать телу, чтобы оно смогло покинуть Солнечную систему. Так как 99,8% массы Солнечной системы приходится на Солнце, то можно сказать, что КА надо преодолеть гравитационное притяжение Солнца.

Расчет

Для Солнечной системы это величина равна 16,650 км/с.

Самое выгодное расположение космодрома для подобного запуска – максимально близко к экватору, так как на экваторе самая большая скорость собственного вращения Земли вокруг своей оси и направление движения в сторону вращения Земли и в сторону орбитального движения Земли по орбите.

КА «Новые горизонты» покинул атмосферу Земли со скоростью близкой к третьей космической – 16,26 км /с. Относительно Солнца он имел скорость 45 км/с. Такой скорости недостаточно, чтобы покинуть Солнечную систему. Но благодаря гравитационному маневру у Юпитера, «Новые горизонты» добавил еще 4 км/с, что позволило ему покинуть Солнечную системы, предварительно показав нам карликовую планету Плутон.

Четвертая космическая скорость

Эта та скорость, которая позволит покинуть галактику в данной точке.

Четвертая космическая в основном не зависит от месторасположения Земли в Млечном пути. Она зависит от расположения и плотности звездного вещества в окрестностях Солнечной системы. А эти данные пока мало изучены.
Для нашей части галактики четвертая космическая скорость примерно равна 550 км/с.

Пятая космическая скорость

Эта скорость редко применима и является больше «фантазией», так как такую скорость необходимо развить для путешествия на другую планету в другую звездную систему, независимо от их взаимного расположения, с траекторией перпендикулярно плоскости эклиптики.

Для Земли эта скорость будет равна 43,6 км/с.

Почему спутники не падают на Землю

Этот вопрос поднимался в самом начале статьи. Теперь давайте на него ответим.

На спутник на орбите действует сила тяжести со стороны Земли. И под действием этой силы спутнику логичнее упасть.
Но, он летит вокруг Земли с первой космической скоростью – 7,9 км/с. Вспомните, чем больше скорость – тем сложнее затормозить. Вот и здесь, спутник и хотел бы упасть, но он не может затормозить и просто пролетает мимо Земли по инерции, тем самым продолжая бесконечное падение.

То есть, спутники падают, но промахиваются и не попадают в Землю.

Еще больше космоса и интересных фактов в телеграмм-канале.