Upload
others
View
5
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Mehanika gravitacijenebeski balet
Geocentrizam vs. heliocentrizam
Tek prije 500 godina poljski svećenik Nikola Kopernik (1473. – 1543.)oživljava ideju grčkih mislilaca i stavlja Sunce umjesto Zemlje u centarstvaranja – De revolutionibus orbium celestrium (objavljenim tek nakonnjegove smrti).
Tycho Brahe (1546. - 1601.) uvjeren u geocentrizam; na temelju njegovihopažanja Marsa njegov asistent
Johannes Kepler (1571. - 1630.) dolazi empirijski do svoja tri zakona u djeluHarmonice mundi (1619.)
1. Keplerov zakonPlanetarne orbite imaju oblik elipse, u čijem je jednom fokusu Sunce.
e – numerički ekscentricitet staze
e = f / a
KONIKE (ČUNOSJEČNICE)
e = 0 kružnica
0 < e < 1 elipsa
e = 1 parabola
e > 1 hiperbola
f 0
poluosmalab
poluosvelikaa
OFOFf
stazetetekcentricilinearniduljinažarišnaf
21
22 baf
12
2
2
2
b
y
a
x Segmentni oblik jednadžbe elipse s ishodištem u (0,0)
Konike (Čunosječnice)
PRAKTIČAN RAD: CRTANJE ELIPSE
Nacrtajte elipsu pomoću konca, dvije pribadače, kartona i olovke.
Merkur 0.206
Venera 0.0068
Zemlja 0.0167
Mars 0.0934
Jupiter 0.0485
Saturn 0.0556
Uran 0.0472
Neptun 0.0086
Pluton 0.25
Izgled putanja s nekim vrijednostima ekscentriciteta:
Ekscentriciteti planetarnih orbita
2. Keplerov zakonPlaneti u jednakim vremenskim intervalima opisuju jednake površine.
Površinska brzina: omjer površine koju prijeđe radij vektor i vremenskog intervala.
2
hrA
.22
. constvr
t
hr
t
Anorm
m/
Lconstmrvn .
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Kepler-second-law.gif
ZADATAK 1.
Odredite omjer najveće i najmanje udaljenosti Marsa od Sunca, tj. radij vektora uafelu i perihelu, a također i omjer trenutnih brzina u tim položajima. Numeričkiekscentricitet Marsove staze e = 0,093.
a
fe
far
far
m
M
205,11
1:/
e
ea
fa
fa
r
r
m
M
Perihel i afel: samo normalna komponenta brzine (2. Keplerov zakon):
205,1
.
m
M
A
P
PmAMn
r
r
v
v
vrvrkonstvr
3. Keplerov zakon Kvadrati ophodnih vremena planeta oko Sunca odnose se kao kubusi njihovih velikih poluosi.
r
GMv
r
mMG
r
vmF
2
2
2
=.
r
GMvk
r
GM
T
rv
22
k
2 MG
T
r22
3
4
Treći Keplerov zakon drugačije je napisana brzina kruženja:
„harmonija svjetova”
ZADATAK 2.
Izračunaj Sunčevu masu iz podataka o gibanju Zemlje: trajanje jednogophoda je godina, a radijus staze je 1 astronomska jedinica.
r
GM
T
rv
22
k
2 M
G
T
r22
3
4
kg
GT
rM
30918
11
2
26
392
2
3
1021061,5911039,3
10673,6
4
1054,31
)10150(4
Newtonov zakon gravitacije
rr
mMGF ˆ
2
221110673,6 kgNmG
Gravitacijska sila je uzajamna, centralna i privlačna!
Zakon vrijedi za MATERIJALNE TOČKE – točkaste mase.
A što kada tijela nisu točkasta? Gravitacijsko polje postaje vrlo složeno!
Treba sumirati po svim elementarnim masama i jednog i drugog tijela!
Uvjeti primjene Newtonovog zakona gravitacije
1. Između materijalnih točaka
2. Između homogenih kugli koje ne prodiru jedna u drugu
3. Između kugli u kojima gustoća ovisi samo o r, a kugle ne prodiru jedna u
drugu
Slobodni pad
Odredimo akceleraciju malenog tijela mase m koji se nalazi u polju sferne mase M.
Prema 2. Newtonovom aksiomu:
2
1
2r
mMGF
gmF
22 r
MGg
r
mMGmg
ZADATAK 3.
Masa Sunca i njegov polumjer mnogo je veća od mase i polumjera Zemlje. Koliko jeveća površinska akceleracija Sunca? MZ = 5,974·1024 kg RZ=6378 km, MS = 2·1030 kg,RS=6,96·105 km.
22
25
2
24
30
2
2
2
2
76,27581,911,28
11,28)1096,6(
6378
10974,5
102
s
m
s
mg
R
R
M
M
R
MG
R
MG
g
g
s
S
Z
Z
S
Z
Z
S
S
Z
S
ZADATAK 4.Razmak centara Zemlje i Mjeseca je u prosjeku 384 400 km. Na kojoj udaljenosti od Zemlje su privlačne sile Zemlje iMjeseca jednake a suprotnih smjerova? Kakvo rješenje daje negativni predznak drugog korijena? Uputa: odnosmasa Zemlje i Mjeseca je 81,3.
,
2
M
M
2
Z
Z
2
M
M
2
Z
Z
r
M
r
M
r
mMG
r
mMG
km400384MZ rr
09M
Z
M
Z ,M
M
r
r
3,81M
Z M
M
(1)
(2)
12 zr
km960345km 440 38-km400384r
km38440rkm4003849
Z
MMM
rr
Što je s negativnom vrijednosti rZ = - 9 rM ????Pozitivna vrijednost - položaj gdje su sile bile jednake nalazio se izmeđuMjeseca i Zemlje. Kada je omjer udaljenosti negativan, položaj jednakihsila mora se nalaziti s dalje strane Mjeseca. Sile mogu biti jednake i sbliže i s dalje strane Mjeseca
Kruženje satelita – 1. kozmička brzinaJedno je tijelo znatno veće mase od drugoga (satelita): M >> m . Centar staze je u centruonoga tijela koje ima znatno veću masu – u slučaju kružne staze to je centar kružnice, a uslučaju eliptične, to je žarište elipse (I. Keplerov zakon).
r
vg
r
mMG
r
vmF
2
2
2
=
Za Zemlju: kmrkgM 6378,106 24
skmv /92,7 1. kozmička brzina
Brzina kruženja na samoj površini – za bilo koju drugu visinu – treba računati novu vrijednost!
Oslobađanje satelita – 2. kozmička brzinaŠto se događa kada se brzina satelita poveća iznad brzine kruženja?Staza postaje sve izduženija – umjesto kružne postaje eliptična a zatim i parabolična – kadaće napustiti Zemljinu blizinu i otići u međuplanetarni prostor. Tada ima brzinu oslobađanja.
Potencijalna energija mase m u blizini mase M:
r
MmGEP
Dogovorno ima negativan predznak – s povećanjem razmaka EP postaje manje negativna, ana beskonačnoj udaljenosti iznosi 0.
Zamislimo proces oslobađanja tijela u slučaju kada je tijelo na početku mirovalo na Zemlji ana kraju mirovalo na beskonačnoj udaljenosti od Zemlje:
r
MmG
r
MmGrEE PP
0
Iz zakona sačuvanja energije, ta se energija mogla dobiti samo iz kinetičke energije koju smodali tijelu kada smo ga poslali sa Zemlje početnom brzinom v0:
r
GMv
r
MmG
mvEK
2
20
2
0 skmR
GMvZemljuZa /2,11
2: 0
Ako tijelo već kruži oko Zemlje (1. kozmička brzina) , do brzine oslobađanja (2. kozmičkabrzina) treba dovesti još toliko energije koliko je već ima:
r
GMv
r
GMvK
20
Kolika je ukupna energija tijela m koje se giba na stalnoj udaljenosti r oko tijela M?
2;
2
222
2
PK
p
U
KPKU
EE
EE
r
mMG
r
MmG
r
GMm
r
MmG
mvEEE
EK i EU su po iznosu jednake, i jednake su EP/2!
Vezani sustavi imaju negativnu energiju - da bi se sustav razdvojio –treba utrošiti energiju! Isto vrijedi i za atome u molekuli, atomskoj jezgri i elektronu……
ZADATAK 5.
Odredite brzinu oslobađanja s površine Mjeseca.
MM = 7,35·1022 kg RM = 1738 km
skmR
GMv
M
M /37,22
0
3. kozmička brzina
Brzina oslobađanja iz Sunčevog gravitacijskog polja, lansiranjem sa Zemlje:
skmr
GMv /1,42
10150
109891,110673,6229
3011
0
Ako lansiramo raketu u smjeru gibanja Zemlje koja se već giba brzinom od 29,8 km/sonda nam treba još ovoliko energije:
22/3,12
2/8,291,42
2skm
mskm
mEK
Ukupno raketi treba dati sljedeću energiju (da bi lansirana sa Zemlje svladala gravitacijska poljai Zemlje i Sunca):
skmvskmm
skmmmv
/6,16/3,122
/2,1122
3
222
3
KORISNO ZA UŠTEDU GORIVA!
Gibanje umjetnih satelitaMasa im je uglavnom zanemariva u odnosu na Zemlju; osim Zemlje na putanju satelitautječu i Sunce i Mjesec. Gravitacijsko polje Zemlje također je vrlo složeno zbog oblikaZemlje i rasporeda mase.
Drugi uzrok promjene putanje – je otpor atmosfere!
022
2;
2
222
2
PKPKP
PK
p
U
KPKU
EEEEE
EE
EE
r
mMG
r
MmG
r
GMm
r
MmG
mvEEE
VIRIJALNI TEOREM uvjet stabilnosti
Kada satelit prelazi na nižu stazu, potencijalnu energiju izgubi dvaputa više nego ukupnu, a kinetička energija poraste koliko seukupna energija smanji. Brzina kruženja na nižoj stazi je veća.
ZADATAK 6.
Izračunajte kolika je dodatna brzina potrebna satelitu koji oko Zemlje kruži s polumjerom 38 000 km da bi postigao brzinu oslobađanja?
r
mMG
r
MmG
r
GMm
r
MmG
mvEEE K
PKU222
2
Tijelo je slobodno kada ukupna energija poraste do nule, odnosno kada se udaljenost beskonačno poveća:
skmr
GMv
r
mMG
vm
/25,31038000
10610673,6
22
3
2411
2
Lakše je ubrzati tijelo kada je ono već u orbiti –astronautika!
Dinamika dvojnog sustava
2
21
r
MMGF
2
12
1
21
2
21
4
T
r
r
v
r
MGg
2
22
2
22
2
12
4
T
r
r
v
r
MGg
Sila između tijela je stalna – obje akceleracije stalne ako je razmak r stalan štozadovoljavaju koncentrične kružne staze .
Tijela obiđu staze u isto vrijeme – tijela se uvijek nalaze na dijametralno suprotnim točkama:r=r1+r2 što je jednako razmaku tijela. Ophodne brzine su u istom odnosu u kojem su iopsezi/polumjeri staza:
2
1
2
1
r
r
v
v
Polumjeri staza su obrnuto proporcionalni masama:1
2
2
1
M
M
r
r
Razmak tijela od zajedničkog centra kruženja obrnuto je proporcionalan masama tijela! – CENTAR MASE/TEŽIŠTE SUSTAVA
Složeno tijelo u gravitacijskom polju giba se kao da je sva masa postavljena u centar mase – a sama tijela obilaze oko centra mase.
Mjesec – Zemlja: oko Sunca po elipsi putuje centar mase sustava Zemlja-Mjesec
Jedina egzaktna metoda mjerenja zvjezdanih masa!
2
1
2
2
21
4
T
r
r
MGg
2
2
2
2
12
4
T
r
r
MGg
212
2
221 4
rrTr
MMG
21 rrr
)(4
2122
3
MMG
T
r
3. Keplerov zakon:
+
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Orbit2.gif
ZADATAK 7.
Izračunaj omjer privlačnih sila ovih parova: Sunca i Mjeseca te Zemlje i Mjeseca. Privlače li se jače Mjesec i Zemlja ili Mjesec i Sunce?
2,26,149
3844,0
106
1022
24
302
SM
ZM
Z
S
2
2
ZM
SM
r
r
M
M
r
MMG
r
MMG
F
F
ZM
MZ
SM
MS
Sunčeva privlačna sila dva je puta veća od Zemljine. Prema tome, Mjesec je prije Sunčev satelit nego Zemljin!
Dinamika trojnog sustavaSvi planeti su u međusobnoj interakciji – što dovodi do pertubacije ili poremećenja odgibanja prema Keplerovim zakonima. Poremećaj staze Urana pokrenula je traženje masekoja je dovela do otkrića Neptuna 1846., a zatim i Plutona 1930.
Rješenje je predvidivo jedino u slučaju kada je treća masa zanemariva prema prvoj idrugoj. Tada treće tijelo zadržava gotovo stalan položaj u odnosu na prva dva tijela, akose nalazi u Lagrangeovim točkama L1 do L5 – tada ima jednaki period revolucije.
Točke 4 i 5 nalaze se na vrhovima jedankokračnoga trokuta. U sustavu Sunce-Jupiter, oko tih točaka laviraju asteroidi Trojanci (ispred Jupitera asteroidiimaju imena grčkih ličnosti iz Trojanskoga rata, a iza Jupitera imaju imenabranitelja Troje).
U sustavu Sunce – Zemlja, u točku L1 ubacuju se opservatoriji koji proučavaju Suncei mjere Sunčev vjetar (npr. SOHO).
Kao predstraža dojavljuju nailazak plazme iz bljeskova i koroninih izbačaja te Sunčevekozmičke zrake – što može dovesti do poremećaja u Zemljinoj atmosferi: ugrozitidjelovanje komunikacijskih i drugih satelita, te pridonijeti izloženosti zračenju nazrakoplovnim visinama i tlu.
Tijelo u točki L1 giba se s istim periodom revolucije kao i Zemlja (iako je bliže Suncu, nevlada se po Keplerovim brzinama).
SOHO je ušao u halo-orbitu oko točke L1 u
kojoj ostaje, obilazeći je za 178 d. Preciznim
ubacivanje u stazu ušteđeno je gorivo koje će
se za korekciju položaja moći koristiti 20 god.
L1 je od Zemlje udaljena 1,5 mil. km.
Lansi-
ranje
2.XII.
1995.
Određivanje mase
METODA 1.Izmjerimo površinsko ubrzanje na Zemlji i polumjer:
G
gRM
R
mMGmg
2
2
METODA 2.Iz brzine kruženja satelita:
G
rvM
r
mMG
r
vm
2
2
2
Ako uzmemo brzinu kruženja Zemlje oko Sunca v=29,8 km/s i srednju udaljenost između njih r = 1,496·106 km :
kgkgNm
msmM 30
2211
923
10210673,6
10496,1)/108,29(
METODA 3.Iz 3. Keplerovog zakona
r
GMv
r
mMG
r
vmF
2
2
2
=.
r
GMvk
r
GM
T
rv
22
k
2 MG
T
r22
3
4
Treći Keplerov zakon drugačije je napisana brzina kruženja:
GT
rM
2
2
3 4
METODA 4.Iz 3. Keplerovog zakona za dvojne sustave, npr. dvojne zvijezde
2
1
2
2
21
4
T
r
r
MGg
2
2
2
2
12
4
T
r
r
MGg
212
2
221 4
rrTr
MMG
21 rrr
)(4
2122
3
MMG
T
r
3. Keplerov zakon:
+
1
2
2
1
M
M
r
r
Za točne iznose masa, potrebno je odrediti omjer njihovih udaljenosti od centra mase:
2
1
2
1
r
r
v
v
Omjer udaljenosti se određuje opažanjima ili spektroskopskim mjerenjem brzina jer je onjednak:
ZADATAK 8.
Odredite masu Venere na temelju podataka da je svemirska letjelica Mariner 2obilazila oko Venere na udaljenosti 35 100 km po kružnom luku brzinom 3,05 km/s.
METODA 2.Iz brzine kruženja satelita:
G
rvM
r
mMG
r
vm
2
2
2
Ako uzmemo brzinu kruženja letjelice Mariner 2 oko Venere v=3,05 km/s i srednju udaljenost između njih r = 35100 km :
kgkgNm
msmM 24
2211
323
1089,410673,6
1035100)/1005,3(
ZADATAK 9.
Kako je određena masa Mjeseca
Oko Sunca po elipsi putuje CM sustava Zemlja-Mjesec, Zemlja kao da „tetura” uritmu Mjesečevih obilazaka/faza. CM se giba Keplerovom brzinom, a Zemlja ili brzaili zaostaje za kut prividnog gibanja Sunca α = 6,44´´.
Udaljenost centra Zemlje od CM sustava r1 (luk kružnice polumjera 1 aj – udaljenostido Sunca):
kmradkmRr 3,46831022,3110150 66
1 Ta se točka nalazi unutar Zemljine kugle!
kmkmkmrrr 7,7163793,468340038412
Onda je udaljenost Mjeseca od CM = udaljenost od Mjeseca do Zemlje – udaljenost Zemlje do CM:
Prema metodi 4
8181
1
2 ZM
M
Z
M
Z MM
M
M
M
M
r
r
Na tijela u kugli polumjera r ne utječu one mase koje se nalaze izvan sfere, sve gravitacijskesile poništavaju se:
Sila na materijalnu točku unutar kugle
m1 r1
r2 m2m
r
rAVm
rAVm
222
111
Gdje su A1 i A2 površine baze valjka kojeg isjecaju mase ∆m1 i ∆m2 i koje su proporc.:
2
2
2
1
2
1
2
1
r
r
A
A
m
m
Mase ∆m1 i ∆m2 privlače tijelo mase m u suprotnim smjerovima jednakim silama:
2
2
222
1
11
r
mmGFi
r
mmGF
Rezultanta sila IŠČEZAVA!
Iako na tijelo mase m djeluju sve mase u svimljuskama raspoređene su po smjeru i veličini takoda se PONIŠTAVAJU!
2r
mrMGrF
Za svaku udaljenost r imamo:
3
3
4rVrM
mrG
rr
mGrF
3
4
3
4 3
2
Oblik sile nije Newtonovski – ova je sila proporcionalna s udaljenosti – poput elastične sile?
Raste do površine linearno gdje ima maksimum a onda opada s kvadratom udaljenosti! U centru je jednaka 0!
Što bi bilo s tijelom koje i slobodno padalo kroz otvor kroz Zemlju?Osciliralo bi od jedne do druge površine ako ne bi bilo otpora zraka!
Harmonijsko gibanje jer djeluje „elastična sila”!
Hidrostatski tlak i hidrostatska ravnoteža Tlak kojim svaka ljuska pritišće jednak je omjeru težine i površine ljuske:
rrgrr
grr
r
Vg
S
mgp
2
2
2 4
4
4
Tlak na nekoj dubini u kugli pri polumjeru r nastaje doprinosom svih ljuski iznad(polumjera većeg od r). Tlak je najveći u centru kugle!
Tlak u centru kugle (približan račun)Zamislimo da je cijela kugla jedna sferna ljuska čija je debljina ∆r = R (polumjer kugle).Za ubrzanje uzimamo ubrzanje na polovici polumjera kugle:
2
2
2
R
RMGg
R
gMR
R
gMrrgrp
4
2
2
HIDROSTATSKA RAVNOTEŽA SVEMIRSKOG OBJEKTA: hidrostatski tlak uravnotežen je s unutarnjim tlakom.
Tlak u centru kugle (korektan račun)
rrrgp dd
2r
rGMrg
rrrrMr
d4
0
2
rrrrr
Grrp
rR
r
dd40
2
2
Plimna sila i Rocheova granica
SUNCE SUNCE
MJESEC
MJESEC
22
21
2
2
/dr
GMmF
/dr
GMmF
2222
22
212/2/
2
2/2/
2/2/
drdr
rdGMm
drdr
drGMmdrGMmFFF
rd
342
2
r
dGMm
r
rdGMmF
Budući da se tijelo pruža u prostoru (d) na njegove dijelove djeluju nejednake sile - razlika tih sila je PLIMNA SILA.
Kada plimna sila postane destruktivnaPretpostavimo da su dvije mase m povezane jedino gravitacijskom kohezijom, i kadaje ta sila jednaka plimnoj – tijelo se nalazi na granici raspadanja:
FF
3332
2 22
d
m
r
M
r
dGMm
d
mG Ako na desnu stranu umjesto
mase tijela uvrstimo gustoću:
623
4 33
dd
Vm
33
3
3
1262
r
M
d
d
r
M
KRITIČNA GUSTOĆA (tijelo ostaje cijelo)
Rocheova granica- prirodni sateliti -
Saturnov prsten
Ako na desnu stranu umjesto mase tijela M koje uzrokuje plimu uvrstimo gustoću:
3
00003
4rVM
3
12
r
M
3
1
00
3
00352,2
3
412
rrr
r
ZADATAK 10.
Odredi plimnu silu između dviju masa od 1 kg vertikalno razmaknutih 1 m na površini:
a) bijelog patuljka (tijelo polumjera Zemlje a mase Sunca),
b) neutronske zvijezde (tijelo polumjera od 10 km a mase Sunca),
c) crne jame (polumjer 3 km, masa Sunca)!
N
mkgkgkgNm
r
dGMmF 03,1
106370
1110210673,622
33
302211
3
N
mkgkgkgNm
r
dGMmF 8
33
302211
3107,2
1010
1110210673,622
N
mkgkgkgNm
r
dGMmF 10
33
302211
31010
103
1110210673,622
Plima i udaljavanje Mjeseca
F
4 cm/god
Plimni valovi zaostaju za vrtnjom Zemlje i stoga je koče što smanjuje kutnu količinu gibanja.Kako u zatvorenim sustavima kutna količina gibanja mora biti sačuvana – smanjenjem količinegibanja Zemlje povećava se kutna količina gibanja Mjeseca:
rr
GMmrmrv
Zbog pojave plimnih ispupčenja, sila između dva tijela prestaje biti centralna. Tangencijalnakomponenta privlačne sile, Ft na dijelu Mjesečeva puta obavlja rad i povećava mu energiju –energija satelita povećava se tako da mu se poveća polumjer staze.Ukupna energija vezanog tijela je:
r
GMmmvEEE pku
2
2
rGMv /2
r
GMmEE
p
u22
Povećanjem energije satelita smanjuje mu se negativna vrijednost - povećava se polumjer staze.