48306

Силы тяготения

Доклад

Физика

Основной закон был сформулирован Ньютоном: Между двумя телами массы которых m1 и m2 находящихся на расстоянии r действуют силы взаимного притяжения F12 и F21 направленные от данного тела к другому телу причем модуль силы тяготения пропорционален произведению масс тел и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними где гравитационная постоянная. Шарообразные тела со сферически симметричным распределением массы в их объеме взаимодействуют так же как если бы их массы были сосредоточены в центрах шаров. гравитационная энергия...

Русский

2013-12-15

195 KB

5 чел.

Силы тяготения

Все физические тела испытывают действие сил взаимного тяготения.

Основной закон был сформулирован Ньютоном: Между двумя телами, массы которых m1 и m2, находящихся на расстоянии r, действуют силы взаимного притяжения F12 и F21, направленные от данного тела к другому телу, причем модуль силы тяготения пропорционален произведению масс тел и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними

,

где  - гравитационная постоянная.

Здесь массы точечные. Шарообразные тела со сферически симметричным распределением массы в их объеме взаимодействуют так же, как если бы их массы были сосредоточены в центрах шаров.

Заметим, что силы тяготения потенциальны, т.е. не зависят от пути (работы в поле сил не зависят от пути).

Потенциальная энергия материальной точки m1 в поле точки m2 записывается так:

То же для m2 в поле m1.

Поле вблизи поверхности Земли

Для тел, находящихся на высоте h, запишем:

, где  - радиус Земли.

Применим разложение

.

Тогда для высоты полета самолета , и , имеем

С этой точностью можно считать, что F=const в близи поверхности Земли.

(1)

- ускорение силы тяжести к поверхности Земли. В таком приближении рассмотрено много задач, связанных с силой тяжести.

гравитационная энергия шарообразного тела

Потенциальная энергия: .

По закону сохранения энергии сумма кинетической и потенциальной энергии постоянна.

Вычислим гравитационную энергию шарообразного тела. Имеем шар радиуса R и массой M. Энергия гравитационного поля численно равна работе, которую необходимо затратить, чтобы частицы шара развести на бесконечное расстояние друг от друга.

Для упрощения примем, что шар однородный, его плотность .

Сначала рассмотрим энергию твердого шарового ядра с радиусом r и окружающего его шарового слоя, толщина которого dr.

Масса центрального шара , масса слоя . Работа удаления шарового слоя толщиной dr равна потенциальной энергии шарового слоя в гравитационном поле, созданном всеми внутренними слоями (т.е. шаровым ядром радиуса r):

(2)

Собственно гравитационная энергия шара радиуса R выразится

Так как , то

(3)

Эта энергия, которая связана с гравитационным взаимодействием частиц шара. Собственная энергия Солнца:

 

Вставка

Вычислим напряженность гравитационного поля внутри и вне шара радиуса R, заполненного веществом с постоянной объемной плотностью.

  1.  Определим напряженность (g) гравитационного поля вне шара.

Если , то .

- с увеличением расстояния от центра шара напряженность убывает, и создается массой всего шара радиуса R.

Напряженность внутри шара.

- напряженность внутри шара возрастает и создается только веществом шара, заключенным в сфере радиуса r1. То есть, на гравитационное поле не влияет вещество, расположенное вне вспомогательной сферы.

Гравитационный радиус

Энергия покоя тела массы M равна Mc2. Не является ли эта энергия энергией гравитационного поля , превратившейся в энергию массы покоя при стягивании частиц тела из бесконечности. Вычислим, радиус какого шара соответствует эта энергия.

Для Земли кг и . Фактически . То есть, в общем балансе энергии гравитационная энергия земли играет малую роль.

Размеры Вселенной ,    и . Иначе, , т.е. радиус примерно соответствует радиусу Вселенной.

Движение искусственных спутников Земли.

При выводе первой космической скорости не будем учитывать:

  1.  Сопротивление воздуха.
  2.  Притяжение Солнца и планет.

Выгодно использовать скорость вращения Земли – запускать спутник в направлении вращения Земли, то есть с Запада на Восток.

Первая космическая скоростьскорость полета по круговой орбите с радиусом, равным радиусу Земли.

Полная энергия спутника в поле Земли:

(1)

Считаем, что напряженность поля зависит от расстояния до центра Земли:

(2)

- движение равномерное.

Движение финитно.

Вторая космическая скорость – скорость у поверхности Земли, позволяющая покинуть пределы земного притяжения.

Минимальная полная энергия, при которой движение становится инфинитно равна 0. Иначе говоря, кинетическая энергия тела равна потенциальной.

Из (1) получаем:

. Т.к.  имеем

.

Третья космическая скорость – скорость тела, находящегося на орбите Земли, которая необходима для того, что бы покинуть пределы Солнечной системы.

Если полная энергия положительна, т.е. начальная скорость больше второй космической, то спутник навсегда покидает область притяжения Солнца – третья космическая скорость.

Третья космическая скорость зависит от направления. Она минимальна, если направление совпадает с направлением движения по орбите Земли вокруг Солнца.

Из (1) следует:

Замечания:

  1.  Земля не является шаром, то есть ее поле тяготения – не поле тяготения точечной массы.
  2.  Земная атмосфера тормозит движения спутника Земли.


Столкновения.

Столкновение частиц – результат их взаимодействия.

Столкновение частицами

Которые в момент соприкосновения взаимодействуют, в результате изменится их скорость, кинетическая энергия, температура, внутреннее состояние. Понятие столкновения шире общепринятого. Например, столкновением движущихся заряженных шариков называют не только их удара, но и отклонение их от прямолинейных путей.

Кинематика твердого тела.

Степени свободы.

Твердое тело – идеализированная система материальных точек, все расстояния между которыми при движении системы не изменяются с течением времени.

Число степеней свободы – число независимых координат, необходимых для описания местоположения тела.

Поступательные степени свободы (трансляционные) i=3.

Вращательные степени свободы

  1.  Одноатомная частица i=0.
  2.  Двухатомная частица i=2.
  3.  Трехатомная частица i=3.

  1.  
  2.  
  3.  

Твердое тело из N молекул (частиц) казалось бы, имеет 3N координат. Но оказывается, 3N-6 из них зависимы (так как они закреплены относительно друг друга).

Чтобы закрепить твердое тело необходимо задать минимум 3 точки не лежащие на одной прямой.

Пять видов движения твердых тел.

  1.  Поступательное движение.
  2.  Вращательное движение вокруг неподвижной оси.
  3.  Плоское движение.
  4.  Движение вокруг неподвижной точки.
  5.  Свободное движение.

1) и 2) – основные.

  1.  Поступательное движение – движение, при котором любая прямая, связанная с телом, всегда остается параллельной своему начальному положению. Скорости всех точек тела в любой момент времени одинаковы.
    1.  Вращательное движение вокруг неподвижной оси – движение, при котором две точки тела всегда остаются неподвижными. Прямая, проходящая через эти точки, называется осью вращения. Все точки твердого тела на этой оси неподвижны. Остальные точки движутся по окружностям в плоскости, перпендикулярным оси вращения с центрами на этой оси.

Мгновенная ось вращения.

Рассмотрим качение обруча без скольжения. Следовательно, точка касания A в рассматриваемый момент времени неподвижна. То есть, движение обруча можно рассматривать как вращение его мгновенной оси вращения, проходящей через точку касания A. Мгновенная ось – воображаемая ось. Малый поворот тела вокруг точки касания A.

Уравнения, описывающие движение твердого тела.

Рассмотрим кинематику движения твердого тела. Произвольное бесконечно малое перемещение твердого тела является результатом двух движений:

  1.  Параллельный перенос тела, при котором центр масс тела смещается поступательно на некоторое расстояние без изменения ориентации.
  2.  Малый поворот тела вокруг центра масс – вращающая составляющая.

Радиус-вектор любой точки может быть представлен в виде:

радиус-вектор центра масс и положение точки в теле.

Скорость точки в твердом теле равна сумме скорости поступательного движения и линейной скорости углового вращения.

Динамика.

Определить, как проходят изменения 6 величин:

Углы являются абсолютной характеристикой в том смысле, что он не зависит от того, относительно какой точки рассматривается вращение.

Если центр вращения совпадает с центром масс, то выполняется уравнение моментов.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20528. Проверка закона Ома для участка цепи и всей цепи. Проверка закона Кирхгофа 37.5 KB
  Проверка закона Ома для участка цепи и всей цепи. Цель работы: Практически убедится в физических сущности закона Ома для участка цепи. Как показывают опыты ток на участке цепи прямо пропорционально напряжении на этом участке цепи и обратно пропорционально сопротивлении того же участка это закон Ома Рассмотрим полную цепь: ток в этой цепи определяется по формуле закон Ома для полной цепи.цепи с одной ЭДС прямо пропорционален этой ЭДС и обратно пропорционален сумме сопротивлении внешней и внутренней участков цепи.
20529. Измерение мощности и энергии 44 KB
  [Вт] [Вт] 100 Вт = 1 гектоватт [гВт] 1000 Вт = 1 киловатт [кВт] 1000000 Вт = 1 мегаватт [МВт] Электрическая мощность измеряется ваттметром Электрическая энергия измеряется счетчиком электрической энергии.1 № опыта Данные наблюдений Результаты вычислений U I tc P Wэнер R Pобщ 1 220 07 600 154 924 гВт 3143 704 2 220 11 3600 242 8712 гВт 1222 3 220 14 4900 308 15092 гВт 714 Р=UI=22007 = 154; W1=154600=92400=924 гВт P2=UI2=2201.1 = 242; W2=2423600=871200=8712 гВт P3=UI3=2201.4 =...
20530. Определение удельного сопротивления материалов 56 KB
  Цель работы: Опытным путем определить удельное сопротивление проводниковых материалов. Теоретическое основание: Сопротивление проводника характеризует его способность препятствовать прохождения тока. Для того чтобы при расчетах учесть способность разных проводников проводить ток вводится понятие удельное сопротивление. Удельное сопротивление это сопротивление проводника длиной 1м и поперечное сечение 1 мм2 Сопротивление проводника зависит не только от материала из которого он изготовлен оно зависит и от его размеров длины и поперечного...
20531. Создание и редактирование простейших таблиц в EXEL 91.5 KB
  Интервал или блок ячеек задается адресами левой верхней и правой нижней ячеек разделенных двоеточием например А1:C4; B1:B10. Для выделения блока ячеек можно использовать мышь перемещать при нажатой левой кнопке или клавиши управления курсором при нажатой клавише Shift. Для удобства представления данных в EXСEL применяются различные форматы ячеек числовой денежный научный процент дата и др. Присвоить формат ячейке или блоку ячеек предварительно выделив их можно с помощью команды Ячейки меню Формат или нажав правую кнопку мыши и...
20532. Создание и редактирование различных видов диаграмм в Excel 74 KB
  Диаграмма это графическое представление числовых данных. Ряды данных это наборы значений которые требуется изобразить на диаграмме. Например при построении диаграммы дохода компании за последнее десятилетие рядом данных является набор значений дохода за каждый год. Математический аналог рядов данных это значения функции Y.
20533. Встроенные функции EXCEL. Статистический анализ 101 KB
  Встроенные функции EXCEL. Простейший способ получения полной информации о любой из них заключается в переходе на вкладку Поиск из меню после чего необходимо напечатать имя нужной функции и нажать кнопку Показать. Для удобства функции в EXCEL разбиты по категориям матаматические финансовые статистические и т. Зная к какой категории относится функция справку о ней можно получить следующим образом: Щелкните на закладке Содержание в верхней части окна а затем последовательно пункты Создание формул и проверка книг Функции листа.
20534. Создание, дополнение и чтение файла данных 80 KB
  Создать файл данных со следующей структурой: шифр товара наименование план выпуска на каждый квартал фактический выпуск в каждом квартале. выпуск Факт. выпуск План. выпуск Факт.
20535. Обработка файла данных 23.5 KB
  Данные по машинам автобазы: номер марка план перевозок факт. Макет исходных данных номер марка план факт о 367 нр ГАЗ 105 100 л 577 ор ЗИЛ 185 185 н 705 ар КамАЗ 220 220 в 368 еу ЛИАЗ 343 340 а 859 ср МАЗ 368 368 у 364 ар УАЗ 373 373 м 290 ао КамАЗ 288 287 н 390 ал ГАЗ 100 99 Алгоритм программы Программа по разработанному алгоритму Командный файл Обработка файла данных CLEAR {Очистка экрана} SET TALK OFF {Команда запрета выполнения отдельных команд} USE Imfd...
20536. Изучение принципов микропрограммного управления 23 KB
  Владимир 2000 Цель работы: Изучение принципов построения микропрограммного устройства управления. Развитие методов параллельной обработки данных и параллельного программирования показало что сложные алгоритмы могут быть эффективно реализованы при микропрограммном управлении что обусловило применение принципов микропрограммного управления в ЭВМ высокой производительности. Микропрограммный принцип управления обеспечивает реализацию одной машинной команды путем выполнения микрокоманд записанных в постоянной памяти.