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Velocidad mínima necesaria para lanzar una piedra a otro planeta

Hace poco fui aprendiendo acerca de campos gravitacionales en la escuela secundaria (último año), cuando mi profesor de física nos presentó un problema que nos supone a analizar la energía de la partícula cualitativamente. Sin embargo me llamó la atención sobre cómo encontrar la velocidad mínima.

Le pregunté a mi profesor de física, y él me dijo que utilizan algunos cálculos. Él no explicar más, pero tengo curiosidad por una respuesta.

Es algo como esto :

Dos planetas a y B están separados por una distancia de R. Una piedra (punto de masa) es lanzado desde la superficie de Un planeta hacia el planeta B. la Masa de a y B se conocen. El radio del planeta a y B son el mismo y conocido. Encontrar la velocidad mínima para lanzar la piedra de planeta a a B. la Masa de piedra también conocida.

Esta pregunta puede ser incompleta en las variables conocidas, porque pensé acerca del problema y de hecho hasta mi propia pregunta.

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Drew Hoskins Puntos 3206

Has formulado la pregunta muy bien, pero que han dejado a cabo una variable. (Tratando de entender algo que no está en su nivel de grado es un delito mayor, pero que es su maestro de la culpa: él no ha adecuadamente enseñado a no pensar).

La forma de dividir el problema es:

  1. Obtener a partir de la superficie del planeta Un "espacio exterior" en la vecindad del planeta A.

  2. Tiene velocidad suficiente para llegar a las inmediaciones del planeta B.

  3. Caer sobre el planeta B.

Es conveniente tomar en cuenta "el espacio exterior" como ser infinito: esto hace que los cálculos más fácil y se hace sólo la mínima diferencia a las figuras.

1. Desde la superficie de Un al espacio exterior

La velocidad inicial necesaria para llegar desde la superficie de un planeta a "infinito" se llama velocidad de escape. De la Tierra me parece conveniente recordar como $11$km/seg, o como $\sqrt{2}$ veces la velocidad orbital de un nivel muy bajo de la órbita, que recuerdo como $8$km/seg. ($\sqrt{2}$ Es cierto para cualquier gravitando cuerpo, en cualquier lugar). Usted puede mirar para arriba las cifras exactas en Wikipedia, pero espero que no. A pesar de lo que su maestro piensa, la ciencia no es acerca de la obediencia ciega a la autoridad establecida.

De acuerdo a la ley de Newton de la gravitación, la fuerza gravitatoria de un planeta de masa $M$ sobre un objeto de masa $m$ a una distancia $r$ respecto a su centro es $$-\frac{GMm}{r^2}\text{,}$$ where $G$ es la constante gravitacional de Newton, que es el mismo siempre y en todas partes. Usted puede mirar hacia arriba, y también celebrar el hecho de que de todas las constantes de la naturaleza es la que menos se conoce con precisión.

El signo menos es debido a que tiene más sentido para el tratamiento de todas las distancias, velocidades, aceleraciones y fuerzas que actúan hacia arriba - y, por supuesto, la gravedad tira hacia abajo.

Ahora bien, incluso en su grado usted debe saber que el trabajo realizado por una fuerza es igual a la fuerza multiplicada por la distancia recorrida. Así que por un poco de el viaje del objeto hacia arriba desde la superficie del planeta (una distancia $\Delta{r}$, por ejemplo) el trabajo realizado por la gravedad es $-\frac{GMm}{r^2}\Delta{r}$. La suma de todas las pequeñas piezas, la cantidad total de trabajo realizado por la gravedad sobre el objeto del viaje desde la superficie hacia el espacio exterior es $$-\int_{r_A}^{\infty}\frac{GMm}{r^2}d{r}\text.$$ (Si tu profesor te dice que la integración es más allá de su nivel de grado, estrangularlo. La integración es fácil. Obtener un elemental cálculo libro y la lectura por diversión, y ver).

Haciendo de la integración, el trabajo total realizado por la gravedad resulta ser $-\frac{GMm}{r_A}$.

Si usted inició la partícula con una velocidad de $v$, lo que significa que se inició con una energía cinética de $\frac12{m}v^2$. Cuando se llega al espacio exterior, el trabajo realizado por la gravedad significa que la resultante de la energía cinética es $$\frac12{m}v^2-\frac{GMm}{r_A}$$

y vas a ver que esto tiene sentido, porque de pequeño $v$ es negativo (la partícula nunca llega tan lejos), para $v$ igual a la velocidad de escape es exactamente cero (la partícula escapa, pero que es eso), y para mayor $v$ es positivo, por lo que todavía hay algunos de la energía cinética a la izquierda.

Un par de puntos:

  • Hay un factor de $m$ en ambas partes de la ecuación. Esto muestra que la masa de la partícula no es relevante para la dinámica de su movimiento.

  • Si Un planeta es la Tierra, no sabe $M$ sin buscar en un libro, y usted no sabe el valor de $G$ sin buscar en un libro. Que sería inmoral. Por otro lado, se podría medir el radio de la Tierra, si quería (Eratóstenes parece haber sido el primero en hacer esto, y es bastante factible experimento para todo el mundo), y también se puede medir la aceleración debida a la gravedad en la superficie de la Tierra. Por lo tanto, ser capaz de utilizar "aceleración = $GM/r^2$" para calcular el valor del producto $GM$, y por lo tanto ser capaz de trabajar la velocidad de escape sin buscar nada en absoluto.

2. Desde el espacio exterior cerca de Un planeta al espacio exterior cerca de el planeta B

Voy a ser mucho más breve aquí. Planeta Un planeta y B son ambos (espero) que orbitan alrededor del Sol. Si el planeta B está más lejos de Un planeta, usted va a necesitar un poco más de energía cinética a salir el Sol "gravedad". Si usted prefiere, usted puede pensar en él como en la necesidad de un "exceso de velocidad" después de escapar del planeta A.

Ahora voy a engañar y decir que si usted va a salir de la Tierra a Marte, usted necesita tener $2.9$km/seg de velocidad de la que queda, una vez llegado al espacio exterior, para salir de la vecindad de la Tierra hasta las proximidades de Marte. Usted puede hacer este trabajo por sí mismo, al deducir la aceleración debido a la gravedad solar en la distancia de la Tierra al Sol (usando la longitud del año) y la compara con que en Marte la distancia desde el Sol (utilizando el año Marciano). Pero me hace falta para hacer algunos de los trabajos de ti mismo!

Otro punto: no es $11.2+2.9=14.1$km/seg que se necesitaría para llegar a Marte. Usted necesita un a partir de la energía cinética que se obtiene de a $2.9$km/seg cuando llegue al "espacio exterior", y debido a que la energía cinética es proporcional al cuadrado de la velocidad, esto significa que usted sólo tiene $11.6$km/seg. para empezar.

Por otro lado, si el Planeta B está más cerca del Sol de Un planeta (Venus, por ejemplo), entonces usted no necesita cualquier exceso de velocidad. La velocidad de escape es suficiente.

La relación de las órbitas de los planetas a y B son las variables que se queden fuera de la cuestión.

3. Desde el espacio exterior cerca de el Planeta B a la superficie del Planeta B.

Sin la velocidad necesaria. Comienza en cero, y el Planeta B, la fuerza de la gravedad en todo el camino.


Me he tomado un tiempo largo sobre esto porque suena como la clase de persona que no sólo quiere que los enlatados respuestas de los libros. A resolver las cosas por sí mismo es lo que la ciencia debe ser sobre la vida, también). Es una lástima que tantas escuelas que parecen enseñar lo contrario.

3voto

Sanya Puntos 64

Voy a suponer que estamos en un universo con sólo dos esferas de los planetas, Un planeta con la masa de $M_A$ y el planeta B con la masa de $M_B$. Ambos planetas tienen una distancia de $D$. Supongamos que usted se encuentra exactamente en la línea que conecta los dos planetas' los centros en la superficie de Un planeta, el cual tiene un radio de $x_{start}$. Usted está lanzando la piedra (masa $m$) con una velocidad de $v$ en la dirección de planeta B. Su piedra que ahora tiene una energía de: $$ E_{total} =E_{kin} + V(x_{start}) = \frac{1}{2} m v^2 - \frac{mG}{D} \left( \frac{M_A}{x_{start}/D} + \frac{M_B}{1-x_{start}/D} \right) $$ El primer término es la energía cinética, la segunda la energía potencial en el campo gravitacional de ambos planetas. El campo gravitacional de un objeto con masa de $M$ está dado por $$ - \frac{G M}{r} $$ donde $r$ es la distancia al objeto.
Ahora, para escapar del planeta, su piedra necesidades para trabajar en contra de la fuerza gravitatoria de Un planeta, por lo que se pierde energía cinética. (La energía se conserva, por lo que el total de energía permanecerá constante con la energía potencial y cinética que se transforma en cada uno de los otros.) Se pierde energía cinética mientras la energía potencial de crecimiento. Podemos calcular donde la energía cinética es máxima (por requerir que la primera derivada es cero): $$ x_E = \frac{D}{1+\sqrt{\frac{M_B}{M_A}}}$$ La energía potencial en este punto es: $$V(x_E) = - \frac{mG}{D} \left(M_A + 2 \sqrt{M_A M_B} + M_B \right)$$ Ahora la piedra todavía necesita tener energía cinética a la izquierda en este punto (por lo que sigue siendo el vuelo hacia el planeta B), por lo tanto exigimos: $$ E_{total} > V(x_E) \Leftrightarrow E_{kin} > V(x_E)- V(x_{start})$$ esto le da a la condición de $$v^2 > - 2 \frac{G}{D} \left(M_A + 2 \sqrt{M_A M_B} + M_B - \frac{M_A}{x_{start}/D} - \frac{M_B}{1-x_{start}/D} \right)$$ Por lo tanto, podemos calcular para valores dados de el planeta de masas y las distancias, lo que de inicio la velocidad de la piedra.

Este conjunto puede ser entendido gráficamente dibujando el potencial por ejemplo, para$D=3$$5 M_A = M_B$:
Plot of potential
Si comenzamos por ejemplo, en la izquierda, la piedra tiene que subir hasta que el potencial de la colina (la perdida de su velocidad en la dirección de planeta $B$ en el curso hasta que se ha llegado al punto máximo de la colina).

Tenga en cuenta que si la piedra no es lanzada a lo largo de la línea de conexión entre ambos planeta de los centros, el problema se convierte en 2 dimensiones y por lo tanto más difícil. También, la presencia de otros objetos en el espacio circundante va a hacer el cálculo más difícil, pero el principio es el mismo - la piedra sólo será capaz de hacer al otro planeta si su energía inicial es mayor que la mayor energía potencial que se encuentra en su camino. Voy a añadir una parcela de la energía potencial entre los dos planetas pronto.

Estoy feliz por las correcciones, adiciones y comentarios :)

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