Wirtualne laboratorium/Fizyka/Grawitacja/Armata Newtona — od spadku do orbity

Armata Newtona — od spadku do orbity

Newton wyobraził sobie armatę na bardzo wysokiej górze. Przy małej prędkości pocisk spada po paraboli. Przy odpowiedniej (v = pierwsza prędkość kosmiczna) — okrąża Ziemię po orbicie kołowej, bo cały czas „spada obok" Ziemi. Przy jeszcze większej prędkości leci po elipsie, a przy v ≥ v_II — ucieka w kosmos. Zmień prędkość początkową pocisku.

Armata Newtona — od spadku do orbity
Fizyka · Grawitacja · Armata Newtona (FIZ.GRAW)
Prędkość początkowa vv (poziomo ze szczytu góry)4.0 km/s
Co się stanie, gdy pocisk poleci wystarczająco szybko?
prędkość v
4.0 km/s
v_I (orbita)
7.9 km/s
v_II (ucieczka)
11.2 km/s
reżim
spada

Co się właśnie stało?

Im szybciej wystrzelisz pocisk poziomo, tym dalej doleci, zanim spadnie. Przy pewnej prędkości powierzchnia Ziemi „ucieka" spod niego dokładnie tak szybko, jak szybko on opada — pocisk już nigdy nie dosięgnie gruntu i krąży po orbicie. To myślowy eksperyment Newtona: armata na bardzo wysokiej górze.

Pierwsza i druga prędkość kosmiczna:

vI=GMR,  vII=vI2v_I=\sqrt{\dfrac{GM}{R}}, \; v_{II}=v_I\sqrt2

Dla Ziemi (R = 6371 km): vI≈7,9 km/sv_I \approx 7{,}9\ \mathrm{km/s} (orbita kołowa) oraz vII≈11,2 km/sv_{II} \approx 11{,}2\ \mathrm{km/s} (ucieczka). Między nimi tor jest elipsą, a przy v≥vIIv \ge v_{II} — otwartą hiperbolą.

Orbita to nieustanne spadanie:

Satelita na orbicie jest w stanie ciągłego swobodnego spadania — spada „obok" Ziemi. Nie działa na niego żadna magiczna siła równoważąca grawitację; to właśnie grawitacja zakrzywia jego prostoliniowy ruch w zamknięty tor. Dlatego astronauci są nieważcy: spadają razem ze stacją.

Po co Ci to na maturze:

Wzór vI=GM/Rv_I=\sqrt{GM/R} wyprowadzisz, przyrównując siłę grawitacji do siły dośrodkowej (GMmR2=mv2R\tfrac{GMm}{R^2}=\tfrac{mv^2}{R}). Zadania o satelitach, prędkościach kosmicznych i nieważkości sprowadzają się do tej jednej równości. Zestaw to z ćwiczeniem „prędkości kosmiczne".

Zapamiętaj: orbita to spadanie, które nigdy się nie kończy — przy vI≈7,9 km/sv_I \approx 7{,}9\ \mathrm{km/s} pocisk okrąża Ziemię, a przy vII≈11,2 km/sv_{II} \approx 11{,}2\ \mathrm{km/s} ucieka na zawsze.

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Spodobał Ci się eksperyment? Udostępnij go.

Jest darmowy — podeślij znajomym ze szkoły.

Teoria i wzory

Myśl Newtona

Pocisk wystrzelony poziomo z wysokiej góry spada po paraboli. Przy dostatecznie dużej prędkości powierzchnia Ziemi „ucieka” pod nim tak szybko, jak on spada — pocisk okrąża planetę, nieustannie spadając swobodnie.

Pierwsza prędkość kosmiczna

Dla orbity kołowej tuż nad powierzchnią grawitacja jest siłą dośrodkową: vI=gR=GMR≈7,9 km/sv_I = \sqrt{g R} = \sqrt{\dfrac{G M}{R}} \approx 7{,}9\ \mathrm{km/s}

Druga prędkość kosmiczna

By uciec z pola grawitacyjnego, potrzeba: vII=2  vI≈11,2 km/sv_{II} = \sqrt{2}\;v_I \approx 11{,}2\ \mathrm{km/s} Dla vI<v<vIIv_I < v < v_{II} tor jest elipsą, dla v≥vIIv \ge v_{II} — ucieczka.

Oznaczenia: vIv_I — pierwsza prędkość kosmiczna, vIIv_{II} — druga prędkość kosmiczna, gg — przyspieszenie grawitacyjne, RR — promień Ziemi, MM — masa Ziemi, GG — stała grawitacji.

Uczysz? Umieść ten eksperyment na swojej stronie.

Darmowy widget — wklej na stronę szkoły, bloga lub notatki. Linkuje do pełnej wersji.

Uczysz w klasie albo korepetujesz? Prowadź uczniów w NexTutor →

Najczęstsze pytania

›

Dlaczego satelita nie spada na Ziemię?

Bo porusza się na tyle szybko w poziomie, że powierzchnia Ziemi „ucieka" pod nim tak samo szybko, jak on spada — to nieustanne spadanie swobodne po orbicie.

›

Co to „ciągłe spadanie"?

Ciało na orbicie stale spada ku Ziemi pod wpływem grawitacji, ale jego prędkość pozioma sprawia, że nigdy jej nie dosięga — okrąża planetę.

›

Kiedy pocisk ucieknie w kosmos?

Gdy jego prędkość osiągnie drugą prędkość kosmiczną (v_II ≈ 11,2 km/s dla Ziemi) — wtedy pokona pole grawitacyjne.