Вопрос задан 13.02.2025 в 17:58. Предмет Физика. Спрашивает Сагитова Алина.

1. Определить работу, которую
необходимо затратить, чтобы вывести ракету за пределы поля тяготения Земли,
если ракета стартует с космического корабля, движущегося по круговой орбите на
уровне 600км над поверхностью Земли. Масса ракеты 20т.

Перейти к ответам

Ответы на вопрос

Отвечает Дудник Марьяна.

Для решения задачи необходимо определить работу, которую требуется затратить, чтобы вывести ракету массой 20 тонн (20000 кг) за пределы поля тяготения Земли. Учтем, что ракета стартует с круговой орбиты на высоте 600 км над поверхностью Земли. Рассмотрим пошаговый анализ.

1. Основные данные и формулы

Дано:

  • Масса ракеты m=20000кгm = 20000 \, \text{кг},
  • Высота орбиты h=600км=600×103мh = 600 \, \text{км} = 600 \times 10^3 \, \text{м},
  • Радиус Земли Rz=6371км=6371×103мR_z = 6371 \, \text{км} = 6371 \times 10^3 \, \text{м},
  • Гравитационная постоянная G=6.674×1011м3кг1с2G = 6.674 \times 10^{-11} \, \text{м}^3\text{кг}^{-1}\text{с}^{-2},
  • Масса Земли Mz=5.972×1024кгM_z = 5.972 \times 10^{24} \, \text{кг}.

Цель: определить работу AA, чтобы вывести ракету за пределы гравитационного поля Земли.

Работа связана с изменением полной механической энергии системы:

A=EEорбита,A = E_\infty - E_\text{орбита},

где:

  • E=0ДжE_\infty = 0 \, \text{Дж} — энергия на бесконечности (где гравитационное поле отсутствует),
  • Eорбита=Kорбита+UорбитаE_\text{орбита} = K_\text{орбита} + U_\text{орбита} — суммарная энергия ракеты на орбите.

2. Потенциальная энергия на орбите

Потенциальная энергия ракеты на орбите определяется формулой:

Uорбита=GMzmRz+h.U_\text{орбита} = - \frac{G M_z m}{R_z + h}.

Подставляем данные:

Uорбита=(6.674×1011)(5.972×1024)(20000)6371×103+600×103.U_\text{орбита} = - \frac{(6.674 \times 10^{-11})(5.972 \times 10^{24})(20000)}{6371 \times 10^3 + 600 \times 10^3}.

Суммарный радиус орбиты:

Rорбита=Rz+h=6371×103+600×103=6971×103м.R_\text{орбита} = R_z + h = 6371 \times 10^3 + 600 \times 10^3 = 6971 \times 10^3 \, \text{м}.

Тогда:

Uорбита=6.674×10115.972×1024200006971×103.U_\text{орбита} = - \frac{6.674 \times 10^{-11} \cdot 5.972 \times 10^{24} \cdot 20000}{6971 \times 10^3}.

Выполнив вычисления:

Uорбита1.14×1011Дж.U_\text{орбита} \approx -1.14 \times 10^{11} \, \text{Дж}.

3. Кинетическая энергия на орбите

Ракета движется по круговой орбите, где центростремительная сила равна силе гравитации. Скорость на орбите определяется из условия равенства:

mvорбита2Rорбита=GMzmRорбита.\frac{m v_\text{орбита}^2}{R_\text{орбита}} = \frac{G M_z m}{R_\text{орбита}}.

Сокращая mm и решая относительно vорбитаv_\text{орбита}:

vорбита=GMzRорбита.v_\text{орбита} = \sqrt{\frac{G M_z}{R_\text{орбита}}}.

Подставляем значения:

vорбита=(6.674×1011)(5.972×1024)6971×103.v_\text{орбита} = \sqrt{\frac{(6.674 \times 10^{-11})(5.972 \times 10^{24})}{6971 \times 10^3}}.

После вычислений:

vорбита7500м/с.v_\text{орбита} \approx 7500 \, \text{м/с}.

Кинетическая энергия на орбите:

Kорбита=12mvорбита2.K_\text{орбита} = \frac{1}{2} m v_\text{орбита}^2.

Похожие вопросы

Топ вопросов за вчера в категории Физика

Последние заданные вопросы в категории Физика

Задать вопрос