Перейти к содержанию

Подборка

Подборки хранятся в этом браузере без учётной записи. Для них нужен включённый JavaScript.

9.6 ВЕЛИКОЕ ПРОТИВОСТОЯНИЕ

Астрономия9 класс2024ТеоретическаяЕсть решение редакция rv_e4e08cf0233f8852 ID p_0299007485d92812

Во время противостояния Марса, когда он находился в афелии своей орбиты, Солнце мгновенно потеряло часть массы так, что орбита Марса стала круговой. Определите, когда в ближайшие 25 лет произойдет противостояние, во время которого Марс окажется на минимальном расстоянии от Земли. Чему будет равно это расстояние? Ответ дайте соответственно в годах (современных) и астрономических единицах. Орбиты планет лежат в одной плоскости.

Решение

Показать решение

Пусть a M a_{\rm M} и e — большая полуось и эксцентриситет орбиты Марса. Тогда расстояние Марса в афелии, а так же радиус его новой орбиты равен a ' M = a M ( 1 + e ) a'_{\rm M} = a_{\rm M}(1+e) . Скорость Марса в афелии равна его скорости на новой круговой орбите. Тогда

G M a M 1 − e 1 + e = G M ′ a M ′ . \sqrt{\frac{GM}{a_{\rm M}}\frac{1-e}{1+e}} = \sqrt{\frac{GM'}{a_{\rm M}'}}.

Отсюда определяем, что новая масса Солнца составит M' = M(1 - e).

Из-за потери Солнцем части массы Земля оказалась в перицентре новой орбиты, а ее изначальная полуось стала перигелийным расстоянием. Большая полуось новой орбиты равна a 3 ′ = a 3 / ( 1 − e ′ ) a_3' = a_3/(1-e') , где e' — эксцентриситет новой орбиты. Из условия равенства старой круговой и новой перигелийной скорости получаем

G M a 3 = G M ′ a 3 ′ 1 + e ′ 1 − e ′ = G M a 3 ( 1 − e ) ( 1 + e ′ ) ⇒ 1 + e ′ = 1 1 − e ⇒ e ′ = e 1 − e ≈ 0.103. \sqrt{\frac{GM}{a_3}} = \sqrt{\frac{GM'}{a_3'} \frac{1+e'}{1-e'}} = \sqrt{\frac{GM}{a_3}} (1-e)(1+e') \quad \Rightarrow \quad 1+e' = \frac{1}{1-e} \quad \Rightarrow \quad e' = \frac{e}{1-e} \approx 0.103.

Тогда

a 3 ′ = a 3 1 − e 1 − 2 e . a_3' = a_3 \frac{1 - e}{1 - 2e}.

Запишем 3-й закон Кеплера для новой пары Земля-Марс

T ' M T ' 3 = ( a ' M a ' 3 ) 3 2 = ( a M ( 1 + e ) a 3 1 − e 1 − 2 e ) 3 2 = ( a M a 3 ) 3 2 ( ( 1 + e ) ( 1 − 2 e ) 1 − e ) 3 2 = 1.8808 ⋅ 0.9713 = 1.8268. \frac{T'_{\rm M}}{T'_{\rm 3}} = \left(\frac{a'_{\rm M}}{a'_{\rm 3}}\right)^{\frac{3}{2}} = \left(\frac{a_{\rm M}(1+e)}{a_{\rm 3}\frac{1-e}{1-2e}}\right)^{\frac{3}{2}} = \left(\frac{a_{\rm M}}{a_{\rm 3}}\right)^{\frac{3}{2}} \left(\frac{(1+e)(1-2e)}{1-e}\right)^{\frac{3}{2}} = 1.8808 \cdot 0.9713 = 1.8268.

Также с помощью 3-го закона Кеплера найдем новый сидерический период Земли:

( T 3 ′ T 3 ) 2 = M M ′ ( a 3 ′ a 3 ) 3 = ( 1 − e 1 − 2 e ) 3 1 1 − e ⇒ T 3 ′ = T 3 1 − e ( 1 − 2 e ) 3 2 = 1.2363 года . \left(\frac{T_3'}{T_3}\right)^2 = \frac{M}{M'} \left(\frac{a_3'}{a_3}\right)^3 = \left(\frac{1-e}{1-2e}\right)^3 \frac{1}{1-e} \quad \Rightarrow \quad T_3' = T_3 \frac{1-e}{(1-2e)^{\frac{3}{2}}} = 1.2363 \, \text{года}.

Получаем, что 25 лет ≈ 20.2 T ′ < 21 T ′ \approx 20.2T' < 21T' . Великие противостояния будут происходить тогда, когда Земля будет находиться вблизи афелия своей орбиты. Афелий Земля будет проходить через каждое полуцелое число оборотов n с начального момента времени. Вычислим для каждого такого момента времени число оборотов, совершенных Марсом n T 3 ′ T M ′ n\frac{T_3'}{T_M'} . Результаты сведем в таблицу. Нас интересует случай, когда дробная часть числа оборотов Марса максимально близка к 0.5. Это соответствует 15.5 оборотов Земли или 19.16 лет.

𝑛′
𝑇
𝑛
З
′
𝑇
М
𝑛′
𝑇
𝑛
З
′
𝑇
М
𝑛′
𝑇
𝑛
З
′
𝑇
М
0.50.277.54.1114.57.94
1.50.828.54.6515.58.48
2.51.379.55.2016.59.03
3.51.9210.55.7417.59.58
4.52.4611.56.3018.510.13
5.53.0112.56.8419.510.67
6.53.5613.57.3920.511.22

Расстояние между планетами мало отличается от

a ' M − a ' 3 ( 1 + e ′ ) = 0.44 a . e . a'_{\rm M} - a'_{\rm 3}(1 + e') = 0.44 \,\mathrm{a.\,e.}