Czy pojazd uciekający opuszcza pole grawitacyjne?
Pojazd dostał dokładnie prędkość ucieczki z danej odległości od izolowanej planety, skierowaną radialnie na zewnątrz. Pomijamy atmosferę i dalszy napęd. Czy podczas lotu nadal działa na niego grawitacja i jak zmienia się szybkość?
Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
W tym zadaniu
Wskazówka
Zero całkowitej energii nie jest zerem siły.
Rozwiązanie
Prędkość ucieczki jest warunkiem energetycznym
Przy zerze energii potencjalnej w nieskończoności v_uc=√(2GM/r₀). Początkowa energia mv_uc²/2−GMm/r₀ jest równa zero. Po wyłączeniu napędu energia mechaniczna pozostaje zerowa, bo uwzględniamy tylko zachowawczą grawitację i pomijamy atmosferę.
Ruch w dowolnej skończonej odległości
W dalszym locie mv²/2−GMm/r=0, zatem v(r)=√(2GM/r). Gdy r rośnie, szybkość maleje. Grawitacja nadal jest skierowana do planety, przeciwnie do radialnego ruchu na zewnątrz. Siła ma niezerową wartość GMm/r² dla każdego skończonego r.
Z zerowej energii wynika dodatnia szybkość dla każdego r
\frac12mv^2-\frac{GMm}{r}=0\ \Longrightarrow\ v^2=\frac{2GM}{r}\ \Longrightarrow\ \frac{v(r)}{v(r_0)}=\sqrt{\frac{r_0}{r}}.
Podzieliliśmy równanie przez dodatnie m i pomnożyliśmy przez 2. Dla r=4r₀ iloraz szybkości wynosi 1/2, a siła maleje do 1/16 wartości początkowej. Żadna z nich nie znika w skończonej odległości. Radialny kierunek podano w treści: dlatego grawitacja jest przeciwna do chwilowej prędkości i hamuje ruch.
Wynik
Grawitacja nadal przyciąga pojazd, więc jego szybkość maleje. W idealnym modelu zbliża się do zera dopiero przy odległości dążącej do nieskończoności. Energia całkowita równa zero oznacza bilans energii kinetycznej i ujemnej potencjalnej, nie brak oddziaływania.
Granica nie jest miejscem zatrzymania
Prędkość dąży do zera dopiero przy r dążącym do nieskończoności. W idealnym modelu nie ma skończonej wysokości, na której pojazd zatrzyma się i zacznie spadać. Taki punkt zwrotny wystąpiłby przy mniejszej energii początkowej, czyli szybkości poniżej ucieczki, w radialnym locie bez dalszego napędu.
Wariant: na czterokrotnie większej odległości od środka szybkość jest dwukrotnie mniejsza niż na starcie, ale nadal dodatnia. Gdyby początkowa szybkość była większa od ucieczki, energia całkowita byłaby dodatnia i pozostałaby niezerowa szybkość graniczna w nieskończoności. Zero energii całkowitej nie oznacza zaniku siły ani zerowych składników energii osobno.
Dodatkowa kontrola
W radialnym locie z energią zero równanie dr/dt=√(2GM/r) daje czas do r proporcjonalny do r^{3/2}−r₀^{3/2}. Czas rośnie bez ograniczenia wraz z odległością. Nie chodzi więc o zatrzymanie po jakimś bardzo długim, ale skończonym czasie na granicy pola; model grawitacji nie ma takiej granicy.
Powiązana teoria
Orbity Keplera: równe pola, okres obiegu i prędkość ucieczki
Dalsza lektura
Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »
← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Komentarze (0)
Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.
RSS komentarzy · Powiadomienia e-mail
Dodaj komentarz
Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto