Orbita Hohmanna. Szkoła średnia Klasy I IV Doświadczenie konkursowe 1

Podobne dokumenty
Sprawdzian Na rysunku przedstawiono siłę, którą kula o masie m przyciąga kulę o masie 2m.

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania fizyka, wzory fizyka, matura fizyka

Egzamin maturalny z fizyki i astronomii 5 Poziom podstawowy

Grawitacja - powtórka

Sztuczny satelita Ziemi. Ruch w polu grawitacyjnym

SPRAWDZIAN NR Merkury krąży wokół Słońca po orbicie, którą możemy uznać za kołową.

Temat: Elementy astronautyki (mechaniki lotów kosmicznych) asysta grawitacyjna

Jak zmieni się wartość siły oddziaływania między dwoma ciałami o masie m każde, jeżeli odległość między ich środkami zmniejszy się dwa razy.

Obraz Ziemi widzianej z Księżyca

Ruchy planet. Wykład 29 listopada 2005 roku

60 C Od jazdy na rowerze do lotu w kosmos. Dionysis Konstantinou Corina Toma. Lot w kosmos

GRAWITACJA MODUŁ 6 SCENARIUSZ TEMATYCZNY LEKCJA NR 2 FIZYKA ZAKRES ROZSZERZONY WIRTUALNE LABORATORIA FIZYCZNE NOWOCZESNĄ METODĄ NAUCZANIA.

14 POLE GRAWITACYJNE. Włodzimierz Wolczyński. Wzór Newtona. G- stała grawitacji 6, Natężenie pola grawitacyjnego.

Fizyka. Kurs przygotowawczy. na studia inżynierskie. mgr Kamila Haule

Prawo powszechnego ciążenia, siła grawitacyjna, pole grawitacyjna

Rakiety. Liceum Klasy I III Doświadczenie konkursowe nr 4

Fizyka. Kurs przygotowawczy. na studia inżynierskie. mgr Kamila Haule

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Pole grawitacyjne*

Satelity Ziemi. Ruch w polu grawitacyjnym. dr inż. Stefan Jankowski

Grawitacja. =2,38 km/s. Promień Księżyca jest równy R=1737km. Zadanie - Pierwsza prędkość kosmiczna fizyka.biz 1

Astronomia. Znając przyspieszenie grawitacyjne planety (ciała), obliczyć możemy ciężar ciała drugiego.

14-TYP-2015 POWTÓRKA PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY Z FIZYKI I ASTRONOMII ROZSZERZONY

Praca. Siły zachowawcze i niezachowawcze. Pole Grawitacyjne.

Zasada zachowania pędu

14P POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNY Z FIZYKI I ASTRONOMII. POZIOM PODSTAWOWY (od początku do grawitacji)

Aktualizacja, maj 2008 rok

Sprawdzian 2. Fizyka Świat fizyki. Astronomia. Sprawdziany podsumowujące. sin = 0,0166 cos = 0,9999 tg = 0,01659 ctg = 60,3058

Zadanie na egzamin 2011

Grawitacja. Wykład 7. Wrocław University of Technology

Treści dopełniające Uczeń potrafi:

4π 2 M = E e sin E G neu = sin z. i cos A i sin z i sin A i cos z i 1

Kontrola wiadomości Grawitacja i elementy astronomii

ETAP II. Astronomia to nauka. pochodzeniem i ewolucją. planet i gwiazd. na wydarzenia na Ziemi.

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Pole grawitacyjne*

Wykład 5 - całki ruchu zagadnienia n ciał i perturbacje ruchu keplerowskiego

Wstęp do astrofizyki I

14R2 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - II POZIOM ROZSZERZONY

DYNAMIKA SIŁA I JEJ CECHY

Loty kosmiczne. dr inż. Romuald Kędzierski

Ruch obrotowy bryły sztywnej. Bryła sztywna - ciało, w którym odległości między poszczególnymi punktami ciała są stałe

Zapisy podstawy programowej Uczeń: 2. 1) wyjaśnia cechy budowy i określa położenie różnych ciał niebieskich we Wszechświecie;

ODDZIAŁYWANIA W PRZYRODZIE ODDZIAŁYWANIA GRAWITACYJNE

Pęd. Jan Masajada - wykłady z podstaw fizyki

00013 Mechanika nieba A

1. Obserwacje nieba 2. Gwiazdozbiór na północnej strefie niebieskiej 3. Gwiazdozbiór na południowej strefie niebieskiej 4. Ruch gwiazd 5.

Wędrówki między układami współrzędnych

LIV Olimpiada Astronomiczna 2010 / 2011 Zawody III stopnia

Zasady dynamiki Newtona. Ilość ruchu, stan ruchu danego ciała opisuje pęd

Grawitacja zadanka 1. W jakiej odległości od środka Ziemi znajduje się ciało jeżeli jego pierwsza prędkość kosmiczna wynosiv 1 = 7,5 10 3m s

Zadania do testu Wszechświat i Ziemia

2.3. Pierwsza zasada dynamiki Newtona

Z przedstawionych poniżej stwierdzeń dotyczących wartości pędów wybierz poprawne. Otocz kółkiem jedną z odpowiedzi (A, B, C, D lub E).

Test powtórzeniowy nr 1

Zad. 4 Oblicz czas obiegu satelity poruszającego się na wysokości h=500 km nad powierzchnią Ziemi.

Grawitacja i astronomia, zakres podstawowy test wiedzy i kompetencji ZADANIA ZAMKNIĘTE

SPRAWDZIAN NR 1. Oceń prawdziwość każdego zdania. Zaznacz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, lub F, jeśli jest fałszywe.

DYNAMIKA dr Mikolaj Szopa

14R POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNY Z FIZYKI I ASTRONOMII. POZIOM ROZSZERZONY (od początku do grawitacji)

Ruch pod wpływem sił zachowawczych

Ruch obiegowy Ziemi. Ruch obiegowy Ziemi. Cechy ruchu obiegowego. Cechy ruchu obiegowego

FIZYKA-egzamin opracowanie pozostałych pytań

Lot na Księżyc. Misja Apollo 11

Fizyka i Chemia Ziemi

VI. CELE OPERACYJNE, CZYLI PLAN WYNIKOWY (CZ. 1)

Wykład 2 - zagadnienie dwóch ciał (od praw Keplera do prawa powszechnego ciążenia i z powrotem..)

Wyznaczanie długości i szerokości geograficznej z obserwacji astronomicznych.

Układ Słoneczny Układ Słoneczny

Konrad Słodowicz sk30792 AR22 Zadanie domowe satelita

Materiały pomocnicze 6 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

FIZYKA klasa 1 LO (4-letnie) Wymagania na poszczególne oceny szkolne Zakres podstawowy

Przedmiotowy system oceniania (propozycja)

Zasady dynamiki Newtona. Pęd i popęd. Siły bezwładności

Praca domowa nr 2. Kinematyka. Dynamika. Nieinercjalne układy odniesienia.

Równa Równ n a i n e i ru r ch u u ch u po tor t ze (równanie drogi) Prędkoś ędkoś w ru r ch u u ch pros pr t os ol t i ol n i io i wym

Podstawowy problem mechaniki klasycznej punktu materialnego można sformułować w sposób następujący:

Zasady oceniania karta pracy

Plan wynikowy fizyka rozszerzona klasa 2

Wyznaczanie długości i szerokości geograficznej z obserwacji astronomicznych.

Piotr Brych Wzajemne zakrycia planet Układu Słonecznego

Dyfrakcja to zdolność fali do uginania się na krawędziach przeszkód. Dyfrakcja światła stanowi dowód na to, że światło ma charakter falowy.

PLAN REALIZACJI MATERIAŁU NAUCZANIA FIZYKI W GIMNAZJUM WRAZ Z OKREŚLENIEM WYMAGAŃ EDUKACYJNYCH

Klimat na planetach. Szkoła Podstawowa Klasy VII-VIII Gimnazjum Klasa III Doświadczenie konkursowe 2

Układ słoneczny, jego planety, księżyce i planetoidy

PROSZĘ UWAŻNIE SŁUCHAĆ NA KOŃCU PREZENTACJI BĘDZIE TEST SPRAWDZAJĄCY

Pozorne orbity planet Z notatek prof. Antoniego Opolskiego. Tomasz Mrozek Instytut Astronomiczny UWr Zakład Fizyki Słońca CBK PAN

Układ Słoneczny. Pokaz

25 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNY Z FIZYKI I ASTRONOMII POZIOM ROZSZERZONY. (od początku do prądu elektrycznego)

Krzywe stożkowe Lekcja V: Elipsa

ABC TECHNIKI SATELITARNEJ

Obliczanie pozycji obiektu na podstawie znanych elementów orbity. Rysunek: Elementy orbity: rozmiar wielkiej półosi, mimośród, nachylenie

Wykład FIZYKA I. 5. Energia, praca, moc. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Blok 6: Pęd. Zasada zachowania pędu. Praca. Moc.

Wektory, układ współrzędnych

Podstawy fizyki wykład 5

41R POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNY Z FIZYKI I ASTRONOMII. POZIOM ROZSZERZONY (od początku do końca)

Fizyka dla Informatyków Wykład 5 GRAWITACJA

Spełnienie wymagań poziomu oznacza, że uczeń ponadto:

Uogólniony model układu planetarnego

Wymagania edukacyjne z fizyki Zakres podstawowy

Układ Słoneczny. Szkoła Podstawowa Klasy IV VI Doświadczenie konkursowe nr 2

Transkrypt:

Szkoła średnia Klasy I IV Doświadczenie konkursowe 1 Rok 019

1. Wstęp teoretyczny Podróże kosmiczne znacznie różnią się od podróży ziemskich. Na Ziemi podróżujemy między punktami o ustalonym położeniu, które można określić za pomocą współrzędnych geograficznych. W przypadku lotów kosmicznych cel podróży nieustannie zmienia swoje położenie. Drugą różnicą jest fakt, że podróże ziemskie odbywają się w pewnym środowisku (czy to na lądzie, czy w wodzie, czy w powietrzu), które cały czas oddziałuje z pojazdem. Oddziaływanie to może równie dobrze przeszkadzać w poruszaniu się (opór powietrza; wody; tarcie o podłoże), jak i pomagać (wiatr napędzający statek żaglowy; powietrze zasilające silniki spalinowe i odrzutowe; podłoże, od którego można odepchnąć się kołami, gąsienicami itd.). Loty kosmiczne odbywają się w próżni, a główną siłą napędzającą pojazd jest napęd rakietowy. Pojazd kosmiczny rozpędza się za pomocą odrzutu gazów wylotowych z dyszy, wykorzystując trzecie prawo Newtona 1. Po wyłączeniu napędu rakieta będzie poruszać się po pewnej trajektorii ustalonej przez kierunek i wartość uzyskanej prędkości oraz przyciąganie grawitacyjne ciał (planet, księżyców, Słońca). Znając te czynniki, można obliczyć dokładne położenie pojazdu na trajektorii w dowolnej chwili czasu. Do modyfikacji trajektorii lotu konieczne jest ponowne włączenie napędu rakietowego w ściśle określonej chwili. W praktyce podróż kosmiczna sprowadza się do szeregu krótkich impulsów rakietowych wprowadzających pojazd na określoną trajektorię. Należy dokładnie określić długość impulsów i czas, kiedy należy je wykonać. Zwykle oblicza się je jeszcze przed startem, by zaplanować, ile trzeba zabrać zapasów paliwa. Optymalną sytuacją jest, gdy osiągnięcie orbity docelowej wymaga możliwie mało i jak najkrótszych impulsów. Innymi słowy, inżynierom zatrudnionym w agencjach kosmicznych zależy, żeby suma zmian prędkości pojazdu podczas wszystkich odpaleń silnika rakietowego (tak zwana delta-v, Δv) była jak najmniejsza. Rozwiązanie tego problemu przedstawił w 195 roku niemiecki matematyk Walter Hohmann. Podał on założenia manewru przejścia pojazdu kosmicznego z orbity niższej na wyższą, wykorzystując eliptyczną trajektorię pośrednią. Od jego nazwiska tę trajektorię nazwano trajektorią Hohmanna (lub inaczej orbitą transferową Hohmanna). Jej schemat przedstawiony jest na poniższym rysunku. 1 mówi ono o tym, że w przypadku oddziaływania dwóch ciał siła działająca na jedno zrównuje się z siłą działającą na drugie, ale z przeciwnym zwrotem w praktyce są to obliczenia numeryczne o przybliżonej dokładności

Rysunek 1. Schemat manewru transferowego Hohmanna. Orbita niższa (1) o promieniu R zaznaczona jest kolorem zielonym, a wyższa (3) o promieniu R - kolorem czerwonym. Transferową trajektorię Hohmanna () zaznaczono kolorem żółtym. Wektory zmiany prędkości wskazują miejsca, gdzie należy włączyć silnik rakietowy. Źródło: Wikipedia 3. Załóżmy, że pojazd znajduje się na niskiej orbicie o promieniu R wokół ciała centralnego 4. Celem podróży jest dostanie się na orbitę wyższą o promieniu R. Pojazd kosmiczny powinien w odpowiedniej chwili odpalić silniki rakietowe w kierunku ruchu po orbicie, nadając pojazdowi impuls prędkości Δv. Impuls ten wyrzuci pojazd na eliptyczną orbitę transferową, której półoś wielka dana jest wzorem: R + R a = jest styczna w najniższym punkcie do orbity początkowej, a w najwyższym punkcie - do orbity docelowej pojazdu. Gdy rakieta dotrze do najwyższego punktu orbity transferowej, musi jeszcze nabrać prędkości, by znaleźć się na zaplanowanej orbicie. W tym celu wykorzystuje się kolejny impuls zaznaczony jako Δv na Rysunku 1. Aby policzyć impulsy Δv i Δv, od prędkości pojazdu kosmicznego na danej orbicie należy odjąć Pierwszą Prędkość Kosmiczną daną wzorem: v I = GM r gdzie G jest stałą grawitacji, M masą centralnego ciała, a r odpowiada promieniowi orbity. W naszym przykładzie jest to R dla orbity niższej i R dla orbity wyższej. 3 https://en.wikipedia.org/wiki/hohmann_transfer_orbit#/media/file:hohmann_transfer_orbit.svg 4 dla uproszczenia można założyć, że wszystkie orbity ułożone są w jednej płaszczyźnie. Nie jest to jednak warunek konieczny 3

W przypadku, gdy cel podróży porusza się bliżej ciała centralnego niż pojazd, sytuacja odwraca się. Rakieta musi zejść z wysokiej orbity na orbitę transferową za pomocą impulsu Δv skierowanego przeciwnie do kierunku lotu. Po dotarciu w najniższy punkt orbity transferowej wyhamować za pomocą impulsu Δv również skierowanego przeciwnie do kierunku lotu. Sytuacja taka jest typowa dla podróży między planetami (np. Ziemią a Wenus), kiedy to ciałem centralnym jest Słońce. Przykład podróży międzyplanetarnych jest bardziej skomplikowany, ponieważ przyciąganie grawitacyjne planet zaczyna odgrywać istotną rolę. Startując z rejonu, gdzie dominuje przeciąganie Ziemi, należy pokonać Drugą Prędkość Kosmiczną i to ona będzie determinować wielkość impulsu Δv: v II = GM r Pola grawitacyjne planet znajdujących się w pobliżu trajektorii lotu rakiety mogą zostać wykorzystane, by zyskać dodatkową prędkość. Manewr ten nazywamy asystą grawitacyjną. Bezzałogowa sonda kosmiczna Voyager korzystała kilkakrotnie z asysty grawitacyjnej mijanych planet, by przyspieszyć swoją podróż przez Układ Słoneczny. Schemat trajektorii Voyagera wraz z planetami wykorzystanymi do asysty grawitacyjnej przedstawia Rysunek. Rysunek. Schemat podróży sondy Voyager. Źródło: Wikipedia 5. 5 https://en.wikipedia.org/wiki/voyager_#/media/file:voyager path.svg 4

. Cel doświadczenia Celem doświadczenia jest zapoznanie się z podstawowym pojęciem mechaniki lotów kosmicznych i obliczenie parametrów trajektorii podróżnej w kilku przypadkach: podróży na orbitę geostacjonarną, na Księżyc oraz na planety Układu Słonecznego. 3. Opis wykonania doświadczenia Pierwsze zadanie polega na wyprowadzeniu wzorów na parametry transferu Hohmanna pomiędzy dwiema kołowymi, współpłaszczyznowymi orbitami o promieniach r1 i r wokół ciała centralnego o masie M. Szukane parametry to: wielkość impulsów Δv i Δv oraz czas transferu t. Oznaczmy prędkości pojazdu (o masie próbnej m) w najniższym i najwyższym punkcie orbity transferowej jako v1 i v. Z zasady zachowania momentu pędu wynika: mv 1 r 1 = mv r. Podobnie stosując zasadę zachowania energii, zachowana jest całkowita energia (suma energii potencjalnej i kinetycznej) w czasie lotu po orbicie transferowej: GMm + mv 1 r 1 = GMm + mv r Czas t potrzebny na podróż po orbicie transferowej można wyliczyć za pomocą trzeciego prawa Keplera. Mówi ono, że w przypadku obiegu ciała po orbicie eliptycznej, sześcian wielkiej półosi (połowa osi wielkiej) orbity a jest proporcjonalny do kwadratu okresu obiegu T: a 3 ~T. Po wyprowadzeniu wzorów na v1 i v, rozważmy trzy przypadki graniczne dla: - r - r 0 - r r 1 Jak można je zinterpretować? Drugie zadanie polega na wykorzystaniu wyprowadzonych wzorów w celu wyliczenia parametrów orbity geostacjonarnej. Jest to szczególna orbita kołowa położona w płaszczyźnie równika. Orbita geostacjonarna jest bardzo użyteczna dla satelitów komunikacyjnych i meteorologicznych, jako że pozostają one zawieszone nad tym samym punktem na Ziemi. Satelity poruszające się po tej orbicie mają okres obiegu równy okresowi obrotu Ziemi wokół osi, tj. nieco mniej niż 4 godziny 6. Przyjmijmy jednak wartość dokładnie 4 godziny. Niska orbita okołoziemska na wysokości 70 km nad powierzchnią Ziemi (do tej wartości należy dodać promień Ziemi wynoszący średnio 6370 km) ma okres obiegu 90 minut. Znajdź promień orbity geostacjonarnej i prędkość satelity na tej orbicie vgeostac oraz parametry orbity transferowej Hohmanna, która przechodzi z niskiej orbity parkingowej o promieniu 70 km nad powierzchnią Ziemi położonej w 6 okres obrotu Ziemi, tj. średni okres pomiędzy kolejnymi górowania mi Słońca, jest nieco mniejszy niż 4 godziny ze względu na ruch Ziemi wokół Słońca 5

płaszczyźnie równika na orbitę geostacjonarną. Podpowiedź: Zamiast wyliczać skrupulatnie ze wzoru prędkości na podstawie stałej grawitacji i masy ciała centralnego, można porównać prędkości na orbitach z Pierwszą Prędkością Kosmiczną, obliczając jedynie jak zmienia się czynnik zależny od r1 i r. Kolejne zadanie to wyznaczanie parametrów orbity transferowej w kierunku Księżyca. Przyjmijmy, że Księżyc porusza się po orbicie kołowej o promieniu 384 400 km, a startujemy z orbity parkingowej na wysokości 70 km nad powierzchnią Ziemi, tym razem położonej w płaszczyźnie orbity Księżyca. Załóżmy również, że nie interesuje nas miękkie lądowanie, a chcemy jedynie rozbić sondę o powierzchnię Księżyca (jak to zrobiono z radziecką sondą Łuna w 1959 roku). Nie musimy więc obliczać drugiego impulsu Δv'. Pomińmy też przyciąganie samego Księżyca. W ostatnim zadaniu opuścimy okolice Ziemi i zajmiemy się zagadnieniem lotów międzyplanetarnych. Załóżmy, że nasza orbita parkingowa 70 km nad powierzchnią Ziemi położona jest w płaszczyźnie ekliptyki, w której krążą po orbitach kołowych wszystkie planety. Ziemia okrąża Słońce w odległości około 1 jednostki astronomicznej (1 AU) w ciągu około 365 dni z prędkością ok. 30 km/s. Teraz należy obliczyć parametry orbity transferowej w kierunku poszczególnych planet Układu Słonecznego: - Merkurego (promień orbity 0,4 AU) - Wenus (promień orbity 0,7 AU) - Marsa (promień orbity 1,5 AU) - Jowisza (promień orbity 5, AU) - Saturna (promień orbity 9,5 AU) - Urana (promień orbity 19, AU) - Neptuna (promień orbity 30 AU). Należy wyliczyć czas potrzebny na transfer oraz wielkość pierwszego impulsu. Podobnie jak w przypadku Księżyca zakładamy jedynie przelot w pobliżu planety, pomijamy zatem drugi impuls. W przypadku lotów międzyplanetarnych, pierwszy impuls należy obliczyć nieco inaczej. Wyliczamy impuls Δv tak, jakbyśmy startowali bezpośrednio z orbity o takich samych parametrach jak orbita Ziemi. Trzeba jednak uwzględnić energię potrzebną do wydostania się z rejonu, w którym dominuje przyciąganie Ziemi, czyli pojazd musi osiągnąć Drugą Prędkość Kosmiczną. Prędkość transferowa na międzyplanetarnej orbicie Hohmanna wynosi zatem: v transfer = v + v II Aby obliczyć niezbędny impuls Δv, należy od vtransfer odjąć Pierwszą Prędkość Kosmiczną vi. Porównaj czas potrzebny na transfer po bezpośredniej orbicie Hohmanna ku planetom zewnętrznym z przebiegiem misji sondy Voyager : - Start: 0 sierpnia 1977 - Przelot obok Jowisza: 9 lipca 1979 6

- Przelot obok Saturna: 5 sierpnia 1981 - Przelot obok Urana: 4 stycznia 1986 - Przelot obok Neptuna: 5 sierpnia 1989. Co wynika z tego porównania? Jakie korzyści dało wykorzystanie manewru asysty grawitacyjnej w przypadku sondy Voyager? Rysunek. Sonda Voyager. Źródło: Wikipedia 7. 7 https://pl.wikipedia.org/wiki/voyager_#/media/file:voyager.jpg 7