гелии во много тысяч раз превышает их скорость в афелии, но в любой точке орбиты сумма кинетической и потенциальной энергий кометы есть для этой кометы величина постоянная.
Вывод первого закона Кеплера из закона всемирного тяготения Ньютона **
Задача № 170. ** Определить траекторию небесного тела (планеты, кометы, космического корабля), движущегося под действием тяготения к Солнцу, под чиняясь закону всемирного тяготения Ньютона.
Решение. Задача относится к обратным задачам динамики: определить дви жение по заданной силе. Для решения воспользуемся интегралом кинетической энергии
или, применительно к данной задаче и в виду (245')
Определим из этого равенства а2 и заменим радиус-вектор его обратной ве-
1 личиной и = —:
г
и2 = 2іі«4-Уо — 2іш 0 . Для упрощения записи введем обозначение
i>o — 2ци0 = В.
Тогда
и2 = 2ци + В.
Это значение у2 внесем в первую формулу Бине (191):
'duVl
(2ст)2 r+UpJ j=2^+s-
Решим это уравнение относительно dm:
du
dw=±
2ци
У<(2ао)2 (2(7)
Если мы отсчитываем го от какого-либо начального положения, в котором
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
радиус-вектор возрастает, |
а следовательно, его обратная |
величина |
ы = — у б ы в а е т , |
то du имеет отрицательный знак и |
|
du 2ци |
|
|
|
|
|
шр = — |
|
|
|
|
|
|
|
У (2а)2 |
(2а)2 |
|
|
|
|
Для |
интегрирования |
преобразуем |
выражение, |
стоящее |
под |
знаком корня, |
прибавив |
к подкоренному |
количеству |
и вычтя из |
него |
ц 2 |
|
|
(2о)4 |
|
|
|
J L + . ? e f f _ _ B 2 = a _ E _ + J i ! |
(и* |
2^и |
і |
Vі |
) |
(2а)2 |
(2о)2 |
(2а)2 |
(2а)* |
\ |
(2а)2 |
(2а)*/' |
Выражение-, взятое в скобки, представляет полный квадрат разности двух количеств, и радикал принимает следующий вид:
(2а)2 (2<j)-» V (2а)2
Сумма двух первых членов в подкоренном количестве должна быть больше отрицательного третьего члена, потому что в противном случае ср было бы мни мой величиной. Введем обозначение
_В |
. р.2 |
= е 2 |
(2а)2 |
(2а)4 |
Р 2 ' |
Положим, кроме того, как это мы уже приняли при решении задачи № 129,
р. 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
что . а —— и перепишем уравнение |
в следующем |
виде: |
|
|
|
, |
du |
|
|
du |
|
|
|
|
acp = - |
VH'-тї |
/?-( |
н |
г |
1 |
)'' |
Разделим числители и знаменатели |
Р |
на — : |
|
|
|
|
рdu
d(f~-
В правой части равенства мы имеем дифференциал арккосинуса от аргумента
ир—\
— . Теперь интегрирование не составляет труда и, учитывая, что постоянная
|
интеграции равна нулю, получаем |
up — 1 |
|
<p = |
|
arccos - |
е |
|
т |
|
Решим это уравнение относительно и:
и = (1 -j-e cos ф).
Мы получили уравнение конического сечения в полярных координатах.
О т в е т . |
т= , , ^ |
. Траектория—коническое |
сечение. |
|
І + е с о в ф |
|
|
|
|
|
|
Задача |
171. ** По |
данным |
предыдущей задачи определить условия, при кото |
рых траекторией небесного тела является эллипс, парабола или гипербола. |
Решение. |
В обозначениях, |
принятых |
в |
предыдущей |
задаче, напишем: |
|
|
_В |
| р-2 |
= е 2 |
и |
_ _ M _ = J _ |
|
|
|
(2а)2 |
(2а)4 |
Р 2 |
(2а)2 |
Р |
' |
Как видно из конечного результата предыдущей задачи, величины р иг имеют следующий геометрический смысл: р является параметром, а в—эксцентриситетом. Вводя в квадрат второе из принятых обозначений и вычитая из первого, найдем:
_ В _ |
£_ _ _1_ |
е2—_1 |
(2а)2 = |
Р 2 Р 2 ~~ |
Р 2 |
Подставим вместо В в левую часть равенства его значение, принятое в пре дыдущей задаче:
Из этого соотношения определим квадрат эксцентриситета; 2ц.'
В аналитической геометрии показано, что у эллипса эксцентриситет меньше единицы, у параболы равен единице и у гиперболы больше единицы. Как видно из написанного равенства, эксцентриситет меньше единицы, равен единице или больше единицы в зависимости от того, является ли выражение, стоящее в скобках, отрицательным, нулем или положительным.
О т в е т . Эллипс-
|
е< |
1, |
t f . < ^ . |
|
|
Парабола: |
|
|
|
|
|
|
|
-1. |
vl- |
2JL |
|
|
Гипербола: |
|
v% >2ц.г |
|
|
|
е > 1, |
|
|
|
|
|
|
' о |
|
|
Задача № 172 (№ |
30.24, 793 М). |
Тело |
брошено |
с поверхности Земли |
вверх |
по вертикальной линии |
с начальной |
скоростью v0. |
Определить величину И |
под |
нятия тела, принимая во внимание, что сила притяжения изменяется обратно
пропорционально квадрату расстояния от центра |
Земли; сопротивлением воздуха |
пренебрегаем. Радиус |
Земли |
# = |
6370 км, |
с 0 |
= |
1 |
км/сек. |
|
|
Земли. |
На |
тело |
Решение. |
Рассматриваем |
движение |
тела |
в |
поле |
тяготения |
|
|
„ |
, Mm |
т |
|
|
|
|
її |
|
|
|
|
|
действует одна |
лишь сила F = k—-^~ = ц — , |
где я — |
— коэффициент |
пропорци |
ональности, М — масса |
Земли |
и т — масса |
тела. |
Коэффициент |
}i=gR2 |
для |
силы |
земного притяжения определен в |
задаче |
№ |
155. |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Начальная кинетическая энергия тела Т0 |
= —конечная |
|
|
Т — 0; |
начальная |
потенциальная |
энергия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
.. |
, Mm |
|
m |
. „ |
|
г, |
, |
п |
|
|
|
|
П 0 |
= k-^—|-С |
= — ц - = г + С = — gRm |
+ |
C, |
|
|
|
конечная |
|
|
|
|
|
|
gRhn |
|
|
|
|
|
|
|
|
п _ |
|
m |
і |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n ~ - l - l |
R + H^ |
|
|
R + H ' |
|
|
|
|
|
Приравняем сумму энергий в начале движения сумме энергий в конце движения:
откуда находим |
Н = |
— - г и, подставляя числовые значения, |
получаем ответ, |
|
|
|
2gR-v\ |
|
О т в е т . # |
= 51 |
км. |
|
При |
движении |
тела в поле тяжести вблизи земной поверхности |
на тело, |
кроме силы тяжести, действуют различные |
диссипативные |
силы, например сила сопротивления воздуха, поэтому закон сохра нения механической энергии здесь неприменим: происходит рассеяние механической энергии, переход ее в другие немеханические виды. Вместе с тем и немеханические виды энергии могут переходить в меха ническую энергию. Переход не только механической, но и всякой дру гой энергии из данного вида в эквивалентное количество энергии всякого другого вида подчинен всеобщему закону сохранения и превра щения энергии, изучаемому в курсах физики. Согласно этому закону во всякой изолированной системе сумма энергий всех видов (кинетической.
потенциальной, тепловой, электрической и т. д.) остается постоянной. Открытие закона сохранения механической энергии (выражаясь точнее, вывод равенства 246) обычно приписывают Гельмгольцу. Но он провел разработку лишь математической стороны вопроса, однако физическая сущность равенств (246) и (247) не могла получить правильного освещения в трудах Гельмгольца, понимавшего движе ние не как внутренне присущий материи атрибут, а как нечто внешнее по отношению к материи, «существо которой», по выражению Гельм гольца, «в самом себе представляется для нас покоящимся и без
действенным».
Открытие же всеобщего закона сохранения и превращения энер гии приписывают обычно Р. Майеру или Джоулю. Но никакое крупнейшее открытие не может принадлежать одному человеку. В частности, открытие этого закона было подготовлено трудами Декарта, Гюйгенса, Лейбница, Ломоносова, Сади Карно и многих других ученых. Постановка этой проблемы и, в частности, изучение перехода тепловой энергии в механическую было вызвано в первой половине XIX в. развитием промышленности и применением паровых
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
машин, практически |
осуществляющих |
этот |
переход. |
|
|
п |
|
|
|
ме- |
Потенциальная |
энергия |
системы. |
Чтобы |
Потенциальная энергия |
л У ч ш е |
осветить |
, |
г |
|
|
сторону во- |
ханической |
системы зависит |
физическую |
только от |
положения точек |
проса, |
мы все |
формулы |
и |
формулировки |
системы |
в |
потенциальном |
в этой главе дали для реальной матери- |
|
|
п о |
л е |
|
альной частицы. Они останутся, конечно, |
без |
изменения, если |
материальную частицу |
мы |
заменим материаль |
ной |
точкой, |
являющейся |
абстрактным |
образом |
материального |
тела. |
Они |
применимы и к |
такой материальной, системе, |
в которой |
сумма |
работ всех сил, приложенных к точкам системы, при перемещении системы из одного положения в другое не зависит от траекторий
точек. |
В частности, они применимы к абсолютно |
твердому телу, |
так как |
работа внутренних сшл твердого тела равна |
нулю. |
Очевидно, что потенциальная энергия системы математически
выражается функцией координат |
всех точек |
системы |
П = П(х1 , ylt zt |
хп, |
у„, г„), |
причем полный дифференциал этой функции, взятый с обратным знаком, равен сумме элементарных работ сил потенциального поля, приложенных к точкам системы. Такое поле является консерватив
ным, т. |
е. |
при движении системы в таком поле под действием |
только сил |
этого поля сумма кинетической и потенциальной энергий |
системы |
сохраняет постоянное значение. |
|
|
Теорема Лежен Дирихле. Отметим интерес- |
Равновесные положения механической системы в потенциальном поле, при которых потенциальная энергия системы достигает минимума,
устоичивы
г |
„ |
Г |
г |
н ы е |
свойства |
равновесия механических |
систем в потенциальном поле: |
в покое |
1) |
если система находится |
в потенциальном поле и занимает |
положе- |
г г
3 |
ние, при котором потенциальная энергия 11 |
минимальна |
(а следовательно, силовая функция U имеет максимум), |
то система |
находится в устойчивом равновесии, т. е., будучи незна- |