Zadanie 5.4.2.3

 Zadanie 5.4.2.3

Satelita zmieniający orbitę
Satelita znajdujący się na niskiej orbicie wokół Ziemi w pewnym momencie zwiększył prędkość o \(10\,\%\), przechodząc na orbitę eliptyczną. Na jaką maksymalną odległość oddali się od Ziemi? Znane są promień Ziemi \(R_z=6371\,\mathrm{km}\) i przyspieszenie grawitacyjne \(\displaystyle{g=9,8\,\mathrm{\frac{m}{s^2}} }\) w pobliżu powierzchni Ziemi.

Informacja

Możesz zobaczyć odpowiedź klikając w przycisk "Odpowiedź" lub sprawdzać kolejne etapy rozwiązania, wybierając prawidłowe odpowiedzi. W rozwiązaniu znajdziesz wskazówki, obliczenia i objaśnienia.

Dane i szukane

Dane:
- promień Ziemi \(R_z=6371\,\mathrm{km}\),
- przyspieszenie ziemskie \(\displaystyle{g=9,8\,\mathrm{\frac{m}{s^2}} }\).

Szukane:
- maksymalna odległość, na jaką oddali się satelita od Ziemi \(r_{max}\).

Odpowiedź

Satelita maksymalnie oddali się od Ziemi na odległość \(r_{max}\approx 1,5R_z\).

Polecenie

Wiedząc, że prędkość na niskiej orbicie to pierwsza prędkość kosmiczna, napisz zasadę zachowania momentu pędu i wyznacz z niej prędkość \(v_{m}\) satelity. Przyjmij, że promień niskiej orbity wynosi \(R_z\).
Wybierz jedną prawidłową zależność, wśród czterech przedstawionych poniżej.

Wybór 1 z 4

\(\displaystyle{v_m=1,1\,\frac{R_z}{r_{max}}\, \sqrt{gR_z}}\)

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 2 z 4

\(\displaystyle{v_{m}=\frac{R_z}{r_{max}}v_2^2}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 3 z 4

\(\displaystyle{v_{m}=\frac{R_z}{v_2}r_{max}}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 4 z 4

\(\displaystyle{v_{m}=\frac{R_z^2}{r_{max}^2}v_2}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Rozwiązanie

Siła grawitacji jest siłą centralną więc moment tej siły jest równy zeru. W konsekwencji moment pędu satelity musi być zachowany. Gdy nie ma sił zewnętrznych, ze względu na potencjalność pola grawitacyjnego całkowita energia mechaniczna musi być zachowana.

Rysunek


Prędkość na niskiej orbicie to pierwsza prędkość kosmiczna \(v_1=\sqrt{gR_z}\), a na podstawie danych znamy prędkość \(v_2=1,1\cdot v_1\). Teraz z zasady zachowania momentu pędu możemy napisać:

\(R_zmv_2=r_{max}\,mv_{m}\)

\(\displaystyle{v_m=\frac{R_z}{r_{max}}v_2}\)

\(\displaystyle{v_m=\frac{R_z}{r_{max}}1,1\cdot v_1}\)

\(\displaystyle{v_m=1,1\,\frac{R_z}{r_{max}}\, \sqrt{gR_z}}\)

Polecenie

Zapisz zasadę zachowania energii całkowitej na jej podstawie wyznacz \(r_{max}\). Wybierz jedną prawidłową wartość, wśród dwóch przedstawionych poniżej.

Wybór 1 z 2

\(r_{max}\approx 2,5R_z\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 2 z 2

\(r_{max}\approx 1,5R_z\)

Odpowiedź prawidłowa

Rozwiązanie

Korzystając teraz z zasady zachowania energii mechanicznej otrzymujemy
- dla punktu, w którym prędkość satelity wynosi \(v_2\):

\(E_c=E_k+E_p\)

\(\displaystyle{E_c=\frac{mv_2^2}{2}-G\frac{M_zm}{R_z}}\)

\(\displaystyle{E_c=\frac{mv_2^2}{2}-gR_zm}\)

- dla punktu, w którym prędkość satelity wynosi \(v_m\):

\(\displaystyle{E_c=\frac{mv_m^2}{2}-G\frac{M_zm}{r_{max}}}\)

\(\displaystyle{E_c=\frac{mv_m^2}{2}-g\frac{R_z^2m}{r_{max}}}\)

Przyrównując obie energie i podstawiając \(v_2=1,1\cdot \sqrt{gR_z}\) oraz \(\displaystyle{v_m=1,1\,\frac{R_z}{r_{max}}\, \sqrt{gR_z}}\), otrzymujemy
 \[\displaystyle{\frac{1}{2}v_2^2-gR_z=\frac{1}{2}v_m^2-g\frac{R_z^2}{r_{max}} }\] \[\displaystyle{\frac{1}{2}\cdot (1,1)^2gR_z-gR_z=\frac{1}{2}\cdot (1,1)^2\frac{R_z^2}{r_{max}^2}gR_z-g\frac{R_z^2}{r_{max}} }\] \[\displaystyle{\frac{1,21}{2}-1=\frac{1,21}{2}\frac{R_z^2}{r_{max}^2}-\frac{R_z}{r_{max}} }\] \[\displaystyle{-0,395=0,605\frac{R_z^2}{r_{max}^2}-\frac{R_z}{r_{max}} }\] 
\(0,395r_{max}^2-R_z r_{max}+0,605R_z^2=0 \)
 \[\Delta=R_z^2-4\cdot 0,395\cdot 0,605R_z^2=0,0441R_z^2\] \[\displaystyle{r_1=\frac{R_z-0,21R_z}{2\cdot 0,395}=R_z }\] \[\displaystyle{r_2=\frac{R_z+0,21R_z}{2\cdot 0,395}=1,5316R_z }\] 

Rozwiązaniem równania kwadratowego jest para liczb \(r_1=R_z\) oraz \(r_2\approx 1,5\,R_z\). Tak więc ostatecznie mamy \(r_{max}\approx 1,5R_z\).

Odpowiedź

Satelita maksymalnie oddali się od Ziemi na odległość \(r_{max}\approx 1,5R_z\).