LXVIII OLIMPIADA FIZYCZNA ZAWODY III STOPNIA

Podobne dokumenty
MECHANIKA OGÓLNA (II)

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

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

Zasada zachowania pędu

LXVII OLIMPIADA FIZYCZNA ZAWODY II STOPNIA

Zasady oceniania karta pracy

Karta punktowania egzaminu do kursu Fizyka 1 dla studentów Wydziału Inż. Śr., kier. Inż. Śr. oraz WPPT IB. Zagadnienie 1.

Zasady dynamiki Isaak Newton (1686 r.)

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

XXXVIII OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP WSTĘPNY Zadanie teoretyczne

M2. WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI WAHADŁA OBERBECKA

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

ZASADY DYNAMIKI. Przedmiotem dynamiki jest badanie przyczyn i sposobów zmiany ruchu ciał.

Egzamin z fizyki Informatyka Stosowana

Prawo powszechnego ciążenia, siła grawitacyjna, pole grawitacyjna

Sztuczny satelita Ziemi. Ruch w polu grawitacyjnym

Fizyka 11. Janusz Andrzejewski

MECHANIKA 2. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

PF11- Dynamika bryły sztywnej.

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

Pierwsze dwa podpunkty tego zadania dotyczyły równowagi sił, dla naszych rozważań na temat dynamiki ruchu obrotowego interesujące będzie zadanie 3.3.

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXIII: Przypomnienie: statyka

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Pole grawitacyjne*

3. KINEMATYKA Kinematyka jest częścią mechaniki, która zajmuje się opisem ruchu ciał bez wnikania w jego przyczyny. Oznacza to, że nie interesuje nas

Zadanie. Oczywiście masa sklejonych ciał jest sumą poszczególnych mas. Zasada zachowania pędu: pozwala obliczyć prędkość po zderzeniu

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Praca, moc, energia INZYNIERIAMATERIALOWAPL. Kierunek Wyróżniony przez PKA

Zderzenia. Fizyka I (B+C) Wykład XVI: Układ środka masy Oddziaływanie dwóch ciał Zderzenia Doświadczenie Rutherforda

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

Praca. Siły zachowawcze i niezachowawcze. Pole Grawitacyjne.

LXVII OLIMPIADA FIZYCZNA ZAWODY III STOPNIA

DYNAMIKA dr Mikolaj Szopa

Analiza spektralna widma gwiezdnego

Zasady zachowania. Fizyka I (Mechanika) Wykład VI:

wymiana energii ciepła

Egzamin maturalny z fizyki i astronomii 5 Poziom podstawowy

CZAS I PRZESTRZEŃ EINSTEINA. Szczególna teoria względności. Spotkanie II ( marzec/kwiecień, 2013)

KINEMATYKA I DYNAMIKA CIAŁA STAŁEGO. dr inż. Janusz Zachwieja wykład opracowany na podstawie literatury

Ruch pod wpływem sił zachowawczych

XXXI OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP WSTĘPNY Zadanie teoretyczne

12 RUCH OBROTOWY BRYŁY SZTYWNEJ I. a=εr. 2 t. Włodzimierz Wolczyński. Przyspieszenie kątowe. ε przyspieszenie kątowe [ ω prędkość kątowa

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

Wstęp. Ruch po okręgu w kartezjańskim układzie współrzędnych

Zasady dynamiki Newtona. Pęd i popęd. Siły bezwładności

Grawitacja - powtórka

Niższy wiersz tabeli służy do wpisywania odpowiedzi poprawionych; odpowiedź błędną należy skreślić. a b c d a b c d a b c d a b c d

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

Statyka Cieczy i Gazów. Temat : Podstawy teorii kinetyczno-molekularnej budowy ciał

Treści dopełniające Uczeń potrafi:

MECHANIKA 2 Wykład Nr 9 Dynamika układu punktów materialnych

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXI: Statyka Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

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

Podstawy fizyki sezon 1 V. Ruch obrotowy 1 (!)

MECHANIKA 2 KINEMATYKA. Wykład Nr 5 RUCH KULISTY I RUCH OGÓLNY BRYŁY. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

KONKURS PRZEDMIOTOWY Z FIZYKI dla uczniów gimnazjów. Schemat punktowania zadań

PODSTAWY FIZYKI - WYKŁAD 2 DYNAMIKA: MASA PED SIŁA MOMENT PEDU ENERGIA MECHANICZNA. Piotr Nieżurawski.

VII.1 Pojęcia podstawowe.

MECHANIKA 2 Wykład 7 Dynamiczne równania ruchu

(t) w przedziale (0 s 16 s). b) Uzupełnij tabelę, wpisując w drugiej kolumnie rodzaj ruchu, jakim poruszała się mrówka w kolejnych przedziałach czasu.

Nieskończona jednowymiarowa studnia potencjału

Promieniowanie dipolowe

k + l 0 + k 2 k 2m 1 . (3) ) 2 v 1 = 2g (h h 0 ). (5) v 1 = m 1 m 1 + m 2 2g (h h0 ). (6) . (7) (m 1 + m 2 ) 2 h m ( 2 h h 0 k (m 1 + m 2 ) ω =

Prawda/Fałsz. Klucz odpowiedzi. Uwaga: Akceptowane są wszystkie odpowiedzi merytorycznie poprawne i spełniające warunki zadania. Zad 1.

MiBM sem. III Zakres materiału wykładu z fizyki

Dynamika: układy nieinercjalne

FIZYKA I ASTRONOMIA RUCH JEDNOSTAJNIE PROSTOLINIOWY RUCH PROSTOLINIOWY JEDNOSTAJNIE PRZYSPIESZONY RUCH PROSTOLINIOWY JEDNOSTAJNIE OPÓŹNIONY

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

Tadeusz Lesiak. Dynamika punktu materialnego: Praca i energia; zasada zachowania energii

Fizyka 1- Mechanika. Wykład 4 26.X Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

MAGNETYZM. PRĄD PRZEMIENNY

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

Zestaw 1cR. Dane: t = 6 s czas spadania ciała, g = 10 m/s 2 przyspieszenie ziemskie. Szukane: H wysokość, z której rzucono ciało poziomo, Rozwiązanie

Analiza zderzeń dwóch ciał sprężystych

MECHANIKA 2. Wykład Nr 3 KINEMATYKA. Temat RUCH PŁASKI BRYŁY MATERIALNEJ. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

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

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

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

Aktualizacja, maj 2008 rok

Pole magnetyczne magnesu w kształcie kuli

Podstawy fizyki sezon 1 IV. Pęd, zasada zachowania pędu

II. Równania autonomiczne. 1. Podstawowe pojęcia.

III. Układy liniowe równań różniczkowych. 1. Pojęcie stabilności rozwiązań.

LIV OLIMPIADA FIZYCZNA 2004/2005 Zawody II stopnia

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

PRACOWNIA FIZYCZNA I

MECHANIKA 2. Teoria uderzenia

Wyznaczenie współczynnika restytucji

Elementy dynamiki klasycznej - wprowadzenie. dr inż. Romuald Kędzierski

MECHANIKA II. Praca i energia punktu materialnego

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

I. Pochodna i różniczka funkcji jednej zmiennej. 1. Definicja pochodnej funkcji i jej interpretacja fizyczna. Istnienie pochodnej funkcji.

Mechanika. Wykład 2. Paweł Staszel

Podstawy fizyki sezon 1 V. Pęd, zasada zachowania pędu, zderzenia

I. DYNAMIKA PUNKTU MATERIALNEGO

Bryła sztywna. Wstęp do Fizyki I (B+C) Wykład XIX: Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

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

Ruch jednostajnie zmienny prostoliniowy

Temat: Elementy astronautyki (mechaniki lotów kosmicznych) asysta grawitacyjna

Obraz Ziemi widzianej z Księżyca

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

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

Transkrypt:

ZAWODY III STOPNIA CZĘŚĆ TEORETYCZNA Za każde zadanie można otrzymać maksymalnie 0 punktów. Zadanie. Dane są jednakowe oporniki i o stałym cieple właściwym oraz oporze zależnym od temperatury T według wzoru R = R 0 ( + α T ), gdzie R 0 opór w temperaturze równej temperaturze otoczenia T 0, T = T T 0, α stała dodatnia. Tempo odpływu ciepła Q/ t z każdego z oporników do otoczenia jest proporcjonalne do różnicy temperatur T Q t = β T, gdzie β jest pewną stałą dodatnią. Oporniki te połączono szeregowo i podłączono do źródła stałego napięcia U. Zakładamy, że ciepło przepływa między każdym z oporników a otoczeniem, ale nie między opornikami. a) Jeśli początkowe temperatury T i T oporników były nieznacznie większe od T 0 i różne od siebie (przyjmij T > T ), to czy jest możliwe, że różnica tych temperatur zaczęła rosnąć? Jeśli tak, to jaki warunek muszą spełniać parametry U, R 0, α i β, aby tak się stało? b) Czy jest możliwe, że po długim czasie i ustaleniu się temperatur T i T pozostawały one różne? Jeśli tak, to jaki warunek muszą spełniać parametry U, R 0, α oraz β, aby tak się stało? Zadanie. W dniu sierpnia 08 roku wystrzelono sondę kosmiczną Parker Solar Probe mającą zbadać okolice Słońca, w tym koronę słoneczną. Zastanówmy się, jak gorąco jest w odległościach, na jakie ta sonda zbliży się do Słońca. Odległość sondy od środka Słońca przez cały rozpatrywany czas jest równa d (przy czym d R S ). Słońce potraktuj jako kuliste ciało doskonale czarne o promieniu R S i temperaturze powierzchni T S. Pomiń wiatr słoneczny. A. Przyjmij, że sonda jest kulą o promieniu r i jednorodnej temperaturze i że można ją traktować jako ciało doskonale czarne.. Wyznacz temperaturę (absolutną) T r, jaką osiągnęłaby sonda po długim czasie przebywania w odległości d od środka Słońca.. Oszacuj z dokładnością do 0% czas, po jakim sonda osiągnęłaby temperaturę równą T r /, gdyby nagrzewała się jednorodnie od temperatury zbliżonej do 0 K. Przyjmij, że gęstość materiału, z którego jest zbudowana sonda, jest stała i wynosi ρ, natomiast średnie ciepło właściwe w trakcie nagrzewania wynosi C (zgodnie z III zasadą termodynamiki ciepło właściwe musi maleć do zera gdy temperatura dąży do 0 K, ponieważ jednak chcemy tylko oszacować czas nagrzewania, użyjemy tu średniego ciepła właściwego). B. Przypuśćmy, że w tej samej odległości d od środka Słońca co sonda znajduje się jednorodna kula puchu lodowego o gęstości ρ L i początkowym promieniu r. Wyznacz czas, po jakim ta kula całkowicie wysublimowałaby pod wpływem promieniowania Słońca. Przyjmij, że rozważana kula się nie nagrzewa (zewnętrzne warstwy sublimują bez nagrzewania wewnętrznych warstw), powierzchnia kuli pochłania całe padające na nią promieniowanie, a ciepło sublimacji lodu wynosi L. Przyjmij również, że kula sublimuje w taki sposób, że jej kształt jest zachowany. We wszystkich przypadkach (A., A. oraz B) podaj wartości liczbowe, przyjmując R S = 7 0 5 km, T S = 5800 K, d = 0R S, C = 900 J/(kg K), r = 0,4 m, ρ =,7 0 3 kg/m 3, ρ L = 0,5 0 3 kg/m 3, L =,7 0 6 J/kg. Zadanie 3. Na każde z trzech małych ciał o różnych masach m, m, m 3 działają tylko siły wzajemnego przyciągania grawitacyjnego. Początkowo te ciała znajdowały się w wierzchołkach trójkąta równobocznego o boku. a) Udowodnij, że jest możliwy taki ruch ciał, że ich wzajemne odległości pozostaną niezmienione. Wyznacz prędkość kątową ω r obrotu trójkąta o wierzchołkach wyznaczonych położeniem ciał. b) Udowodnij, że jest możliwy taki ruch ciał w płaszczyźnie wyznaczonej przez ich początkowe położenie, że ich wzajemne odległości się zmieniają, ale pozostają sobie równe (trójkąt o wierzchołkach wyznaczonych położeniem ciał jest stale równoboczny). c) W chwili początkowej prędkości każdego z ciał są takie, jakby trójkąt obracał się bez zmiany wielkości, w swojej płaszczyźnie, z prędkością kątową ω 0 mniejszą od prędkości ω r z punktu a). Oblicz minimalną długość boku trójkąta, która wystąpi w czasie ruchu ciał. Wzory, które mogą być przydatne Zgodnie z prawem Stefana-Boltzmanna ciało doskonale czarne o powierzchni S i temperaturze absolutnej T wysyła promieniowanie ( o mocy P = σst 4, gdzie σ = 5,7 0 8 W/ m K 4) jest stałą Stefana-Boltzmanna. Dla x : ( + x) r + rx, ln ( + x) x.

ROZWIĄZANIA ZADAŃ ZAWODÓW III STOPNIA CZĘŚĆ TEORETYCZNA Rozwiązanie zadania a) Natężenie prądu w obwodzie jest równe I = U R + R = U R 0 ( + α ( T + T )). () Zgodnie z zasadą zachowania energii zmiana T temperatury ciała o masie m i stałym cieple właściwym C jest równa T = P t mc, gdzie P jest różnicą między dostarczną a odbieraną mocą, natomiast t odstępem czasu, w jakim się to odbywa. Zatem tempie wzrostu temperatury opornika decyduje różnica między przekazywaną mocą prądu a mocą odbieraną w postaci ciepła. Dla opornika ta różnica wynosi P = I R β T = U R 0 + α T ( + α ( T + T )) β T. () Jeśli T i T są małe, to w powyższym wzorze można pozostawić tylko wyrazy zerowego i pierwszego rzędu P U 4R 0 ( α T ) β T. (3) Dla opornika analogiczna moc P różni się od P tylko zamianą T i T w tym wyrażeniu. Wzrost lub spadek różnicy między temperaturami T i T zależy od znaku wielkości P P, która jest równa P P ( U ) ( α U ) α β ( T T ) = β (T T ). (4) 4R 0 4R 0 Różnicę mocy możemy wyznaczyć też ściśle. W takim przypadku otrzymujemy P P = ( U R 0 ) α ( + α ( T + T )) β (T T ). (5) Po uwzględnieniu, że T i T są małe, wzór (5) sprowadza się do wzoru (4). Zatem odpowiedź na postawione pytanie brzmi: tak, jest to możliwe pod warunkiem, że U α 4R 0 > β. (6) Strona z 9

U b) Jak wyżej, natężenie prądu jest równe I = R 0 (+α( T + T, a ponadto w stanie stacjonarnym (gdy temperatury pozostają stałe) obowiązują równania P = P = 0, )) czyli U R 0 + α T ( + α T c ) = β T, U R 0 + α T ( + α T c ) = β T. (7) gdzie wprowadziliśmy oznaczenie T c = T + T. Dla ustalonego T c równania (7) są identycznymi równaniami liniowymi na T oraz T, z czego wynika, że mają to samo rozwiązanie (lub w szczególnym przypadku oba nie mają rozwiązania). Można to również otrzymać jawnie, np. dzieląc równania (7) przez siebie stronami. Otrzymamy wtedy + α T = T, + α T T a stąd T = T. Zatem odpowiedź na postawione w punkcie b) pytanie jest negatywna niezależnie od wartości parametrów. Punktacja zadania Natężenie prądu w obwodzie (wzór ()) pkt. Różnica między przekazywaną mocą prądu a mocą odbieraną w postaci ciepła (wzór () lub równoważny) pkt. Różnica między P a P i stwierdzenie, że jest to wielkość decydująca o wzroście lub spadku różnicy między temperaturami T i T (wzór (4), (5) lub równoważny) pkt. Wynik końcowy dla pkt. a) (wzór (6)) pkt. Stwierdzenie, że sytuacja rozpatrywana w punkcie b) jest niemożliwa wraz z uzasadnieniem 3 pkt. Rozwiązanie zadania A.. Z prawa Stefana-Boltzmanna wynika, że Słońce wysyła promieniowanie o mocy 4πσR ST 4 S. Całe to promieniowanie dociera na odległość d od środka Słońca, zatem moc na jednostkę powierzchni w tej odległości wynosi p = 4πR SσT 4 S 4πd = σ R S d T 4 S. (8) Po długim czasie temperatura sondy nie będzie się zmieniała ilość pochłanianej energii ze Słońca będzie równa ilości energii wypromieniowywanej, czyli Stąd otrzymujemy T r = 4 p/ (4σ), a więc πr p = 4πr σt 4 r. (9) T r = Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymujemy RS d T S. (0) T r 300 K. () Strona 3 z 9

A.. Gdy temperatura sondy wynosi T, sonda wypromieniowuje moc 4πσr T 4, zatem moc zużywana na podgrzewanie sondy wynosi P ef = πr p 4πr σt 4 = () ( = 4πσr Tr 4 T 4 ). (3) Tr 4 ( ) Moc ta zmienia się od P ef, max = 4πr σtr 4 (dla T = 0) do P ef, min = 4πr σtr 4 6 = 4πr σtr 4 0,9375 (dla T = T r). Podgrzanie sondy wymaga dostarczenia energii mct r, gdzie m = 4 3 πr3 ρ jest masą sondy. Zatem czas podgrzewania sondy do temperatury T r zawiera się w przedziale ( mct r P ef, max, mct ) r. (4) P ef, min Względna szerokość tego przedziału wynosi 7%, zatem wynik nieuwzględniający w ogóle promieniowania sondy jest wynikiem nie różniącym się od ścisłego o więcej niż 7%. Zatem 5 przybliżony hipotetyczny czas nagrzewania sondy do temperatury T r / wynosi ρrc t = 6σ ( ) R 3/ S d T 3 S (5) 300 s ( 0%, +0%). (6) B. Prędkość sublimacji (ubytek masy w jednostce czasu) bryły o promieniu r jest równy ilorazowi całkowitej mocy promieniowania pochłanianego przez kulę i ciepła właściwego lodu: gdzie p jest mocą wyznaczoną w punkcie A.. pπ (r ) L, (7) Przy zmniejszeniu promienia o małą wielkość δr ubytek masy wynosi 4π (r ) ρ L δr, zatem prędkość v r zmiany promienia lodowej kuli wynosi v r = Ponieważ jest to wielkość stała, szukany czas sublimacji wynosi r v r t s = Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymujemy p 4ρ L L. (8) = 4ρ LLr, czyli p 4ρ LLr σt 4 S R S/d. (9) t s 3,4 0 3 s. Punktacja zadania A.. Moc promieniowania Słońca (na jednostkę powierzchni) w pobliżu sondy (wzór (8)) pkt. Równowagowa temperatura sondy (wzór (0)) pkt. Strona 4 z 9

A.. Rozważenie energii wypromieniowywanej przez sondę (wzór () lub równoważny) pkt. Uzasadnienie, że w ramach oczekiwanej dokładności można pominąć energie wypromieniowywaną przez sondę pkt. Szukany czas (wzór (5) lub równoważny) pkt. B. Prędkość sublimacji (wzór (7) lub równoważny) pkt. Prędkość zmiany promienia kuli (wzór (8) lub równoważny) pkt. Szukany czas sublimacji (wzór (9) lub równoważny) pkt. Poprawne wartości liczbowe w przypadkach a), b) i c) pkt ( pkt w przypadku dwóch z trzech poprawnych wartości). Rozwiązanie zadania 3 Zauważmy, że jeżeli początkowe prędkości ciał leżą w płaszczyźnie wyznaczonej przez początkowe położenie tych trzech ciał, to cały ruch będzie się odbywał w tej płaszczyźnie siły oddziaływań grawitacyjnych między ciałami również będą działały w tej płaszczyźnie. Możemy więc ograniczyć nasze rozważania do ruchów w początkowej płaszczyźnie i poniższe rozważania będą dotyczyły takiej sytuacji. Ponieważ na układ nie działają siły zewnętrzne, jego środek masy nie doznaje przyspieszenia i związany z nim układ odniesienia jest układem inercjalnym. Możemy więc bez dodatkowych komplikacji prowadzić nasze rozważania w tym układzie odniesienia, czyli przyjąć, że środek masy spoczywa. a) Oznaczmy przez r, r, r 3 wektory położenia poszczególnych ciał względem ich wspólnego środka masy. Z definicji środka masy mamy Przyspieszenie grawitacyjne pierwszego ciała jest równe a = Gm b 3 0 m r + m r + m 3 r 3 = 0. (0) ( r r ) + Gm 3 b 3 0 ( r 3 r ) = () = G (m b 3 r + m 3 r 3 m r m 3 r ) = () 0 = G b 3 0 M r, (3) przy czym w ostatnim przekształceniu skorzystaliśmy ze wzoru (0) i wprowadziliśmy oznaczenie M = m + m + m 3. W analogiczny sposób otrzymamy a = G M r b 3, a 3 = G M r 0 b 3 3. 0 Rozważmy teraz sytuację, w której trójkąt wyznaczony przez położenia trzech ciał obraca się z prędkością kątową ω wokół wspólnego środka masy. Ciała będą poruszały się wtedy po okręgach o środkach pokrywających się ze środkiem masy. Aby utrzymać taki ruch, przyspieszenie dośrodkowe każdego z ciał musi wynosić odpowiednio ω r, ω r oraz ω r 3. Zatem, jeśli ω = G b 3 0 M, (4) to ciała poruszają się tak, że pozostają w wierzchołkach trójkąta równobocznego o boku. Stąd G ω r = (m + m + m 3 ). (5) b 3 0 Strona 5 z 9

b) Załóżmy, że ciała poruszają się tak, że pozostają w wierzchołkach trójkąta równobocznego o boku b, przy czym b może się zmieniać. W tej sytuacji wzór (3) oraz jego odpowiedniki dla a i a 3 pozostają w mocy, przy czym powinniśmy zastąpić przez zmienną długość boku trójkąta b: a = G b 3 M r, a = G b 3 M r, a 3 = G b 3 M r 3. (6) Zauważmy, że ponieważ ciała pozostają stale w wierzchołkach trójkąta równobocznego, a położenie środka masy nie ulega zmianie, wielkości β = r /b, β = r /b oraz β 3 = r 3 /b są w trakcie ruchu stałe. Wprowadźmy wektory b i, takie że r i = β i bi (z definicji mamy r i = b), oraz odpowiadające im przyspieszenia A, takie że a i = β i Ai (i =,, 3). W nowych zmiennych wzory (6) na przyspieszenia można przepisać następująco czyli po prostu β iai = β i GM b i, i =,, 3. (7) b3 A i = GM b i, i =,, 3. (8) b3 Równania te mają identyczną postać oraz symetrię sferyczną. Z tego wynika, że jeśli b (t) jest rozwiązaniem odpowiedniego z powyższych równań, to po obróceniu b (t) wokół środka masy układu możemy otrzymać b (t) oraz b 3 (t) będące rozwiązaniem odpowiadających im równań. Z konstrukcji zachodzi b (t) = b (t) = b 3 (t) = b, a kąty między każdą parą rozważanych wektorów nie zmieniają się. Wynika stąd, że jeśli wektorów β b (t = 0), β b (t = 0), β 3 b3 (t = 0) znajdowały się w wierzchołkach trójkąta równobocznego o boku, to końce wektorów β b (t), β b (t), β 3 b3 (t) będą znajdowały się w wierzchołkach trójkąta równobocznego o boku b. Skonstruowany w ten sposób ruch trzech ciał spełnia więc wszystkie przyjęte przez nas wcześniej założenia, zatem możliwy jest ruch opisany w punkcie b). Można zadać pytanie, czy istnieje rozwiązanie b (t), od którego zaczęliśmy konstrukcję? Zauważmy, że pojedyncze równanie (8) to w istocie dobrze nam znane równanie ruchu ciała w polu grawitacyjnym nieruchomego punktu materialnego o masie M. Znamy wiele rozwiązań tego równania aby uzyskać przykład ruchu opisanego w punkcie b) wystarczy wybrać dowolne z nich (za wyjątkiem ruchu po okręgu wtedy bowiem otrzymamy ruch opisany w punkcie a) ze stałą długością boku trójkąta). W szczególności, jeśli rozważane ciała spoczywały w chwili początkowej, to aż do momentu zderzenia we wspólnym środku masy odległości między nimi będą równe (a wyznaczany przez nie trójkąt nie będzie się obracał). Również jeśli w chwili początkowej te ciała obracały się z tą samą prędkością kątową wokół wspólnego środka masy, a ich prędkość zbliżania do tego środka była równa zero (jest to sytuacja z punktu c)), to odległości między nimi będą równe. c) Rozwiązanie I punktu c) (wykorzystanie zasad zachowania dla całego układu). Na układ nie działają żadne siły zewnętrzne, zatem zachowany jest jego całkowity moment pędu, a położenie środka masy nie ulega zmianie. Również energia mechaniczna układu jest zachowana. Z punktu b) wynika, że w każdym momencie ciała będą się znajdowały w wierzchołkach trójkąta równobocznego. Strona 6 z 9

Początkowa energia grawitacyjna układu tych ciał wynosi a energia kinetyczna w układzie środka masy E g0 = G (m m + m m 3 + m 3 m ), (9) E k0 = ( m r 0 + m r 0 + m 3 r 30 ) ω 0, (30) gdzie r 0, r 0, r 30 są odległościami poszczególnych ciał od ich wspólnego środka masy w chwili początkowej. Przyjmijmy, że najmniejsza odległość, na jaką się zbliżą te ciała to, a prędkość kątowa w chwili największego zbliżenia to ω min. Zauważmy, że w momencie największego zbliżenia szybkość zmiany odległości między ciałami jest równa 0, a zatem trójkąt obraca się bez zmiany wielkości. Oznaczając przez r min, r min, r 3 min odległości poszczególnych ciał od ich wspólnego środka masy w chwili największego zbliżenia, otrzymamy następujące wyrażenia na energię potencjalną E g min oraz energię kinetyczną E k min w chwili największego zbliżenia E g min = G (m m + m m 3 + m 3 m ), E k min = ( ) m r min + m r min + m 3 r3 min ω min. (3) Zauważmy, że zachodzi r min = r 0, r min = r 0, r 3 min = r 30 (3) Moment pędu układu jest zachowany, co oznacza, że ( ) m r0 + m r0 + m 3 r30 ω0 = ( ) m r min + m r min + m 3 r3 min ωmin, (33) czyli Zachowana jest też energia mechaniczna Uwzględniając wzory (3) oraz (34), otrzymujemy ( ) b0 ω min = ω 0. (34) E k0 + E g0 = E k min + E g min. (35) ( ) b0 E k0 + E g0 = E k0 + E g0. (36) Jest to równanie kwadratowe na, którego jednym rozwiązaniem jest, a drugim = ( + E g0 E k0 ). (37) Zauważmy, że r = ( m r + m 3 r 3 ) /M, gdzie r = r r, r 3 = r r 3,a zatem m r = m m r + m 3r 3 m m 3 r r 3 M = m m b + m 3b + m m 3 b M, gdzie wykorzystaliśmy r = r 3 = b, r r 3 = b cos 0 0 = b /. Strona 7 z 9

Analogiczne związki zachodzą dla m r oraz m 3 r 3, stąd Zatem i otrzymujemy 0statecznie m r + m r + m 3 r3 = m m + m m 3 + m m 3 b. (38) M = E g0 = GM, (39) E k0 b 3 ω0 = ( ) GM. (40) b 3 ω0 G (m + m + m 3 ) / (ω 0b 3 0). (4) Zauważmy, że warunek ω 0 < ω r wraz z równaniem (5) oznaczają, że G (m + m + m 3 ) / (ω 0b 3 0) >, czyli zgodnie z oczekiwaniami <. Zauważmy również, że zarówno rozwiązanie metodą I jak i wynik w przypadku c) są analogiczne do przypadku trzech równych mas (patrz zadanie T3 w drugiej części I stopnia 68. Olimpiady Fizycznej). Rozwiązanie II punktu c) (wykorzystanie efektywnych zasad zachowania dla każdego z ciał z osobna). Zauważmy, że prawa strona równań (8) ma postać przyspieszenia grawitacyjnego z prawa grawitacji Newtona, któremu odpowiada jej energia grawitacyjna GMm i /b. Zatem każde z równań (8) prowadzi do odpowiadającej mu zasady zachowania energii : V + (ωb) GM b = const, (4) przy czym ω jest prędkością kątową obrotu każdego z wektorów b (t), b (t), b 3 (t) (czyli prędkością kątową ruchu każdego z ciał wokół wspólnego środka masy), natomiast V jest prędkością zmiany b; V / + (ωb) / jest energią kinetyczną danego ciała podzieloną przez jego masę. Zgodnie ze wzorem (7) siła działająca na ciało i jest siłą centralną, zatem moment pędu tego ciała L i jest zachowany. Stąd A zatem L i m i = ωr i = ωβ i b = ω 0 β i b 0. (43) ω = ω 0b 0 b. (44) Po podstawieniu powyższego wyrażenia na ω do równania (4) otrzymujemy V + (ω 0b 0) GM b b = const. (45) W chwili początkowej i w chwili największego zbliżenia mamy V = 0, stąd ω 0b 0 GM = (ω 0b 0) b GM b. (46) Strona 8 z 9

Jest to równanie kwadratowe na którego jednym z rozwiązań jest b, zatem drugim rozwiązaniem jest = ω 0b 0/ GM/ (ω 0 b 0), / co jest równoważne wzorowi (40) z rozwiązania I, czyli ostatecznie otrzymujemy ten sam wynik (4) co w rozwiązaniu I. Punktacja zadania 3 a) Szukana prędkość kątowa (wzór (8)) wraz z uzasadnieniem 3 pkt. b) Stwierdzenie i uzasadnienie (np. sprowadzenie poprzez odpowiednią zamianę zmiennych równań ruchu dla każdej z mas do takiego samego wzoru) faktu, że taka sytuacja jest możliwa pkt. c) Rozwiązanie I Zasada zachowania momentu pędu układu (wzór (33) lub równoważny) wraz z jej wykorzystaniem pkt. Zasada zachowania energii układu (wzór (35) oraz wzory (3), (9) (30) lub wzory równoważne) wraz z jej wykorzystaniem pkt. Równanie pozwalające wyznaczyć na podstawie parametrów początkowych (wzór (33) lub równoważny) pkt. Wynik końcowy (wzór (4)) pkt. Rozwiązanie II Efektywna zasada zachowania momentu pędu dla pojedynczej masy (wzór (43) lub równoważny) wraz z jej wykorzystaniem pkt. Efektywna zasada zachowania energii dla pojedynczej masy (wzór (4) lub równoważny; wystarczające jest rozważenie przypadku zerowej prędkości radialnej) wraz z jej wykorzystaniem pkt. Równanie pozwalające wyznaczyć na postawie parametrów początkowych (wzór (46) lub równoważny) pkt. Wynik końcowy (wzór (4)) pkt. Strona 9 z 9