10.3 Кратные орбиты
Астероид двигается по круговой орбите вокруг Солнца. В некоторой точке орбиты вследствие взрыва он разделяется на два осколка, один из которых продолжает двигаться в том же направлении, что и исходный астероид. При этом орбитальный период первого осколка становится в два раза больше орбитального периода исходного астероида, а второй осколок переходит на орбиту с периодом обращения, в два раза меньшим периода исходного астероида.
Определите отношение масс осколков.
Ответ
Показать ответ
Ответ: Отношение масс осколков – 2.1 или 9.6
Решение
Показать решение
Решение. Точка, в которой произошел взрыв астероида и разлет двух осколков, является перицентром орбиты первого осколка и апоцентром орбиты второго осколка.
Рассмотрим осколок, который продолжил двигаться в том же направлении по орбите с большим периодом. После разлета этот осколок стал двигаться быстрее, а точка разлета стала перицентром его орбиты. Запишем скорость в перицентрe
0 – это скорость осколка на начальной круговой орбите, а 1 – эксцентриситет орбиты, на которую перешел осколок.
Период новой орбиты стал в 2 раза больше, значит, полуось новой орбиты стала больше в 2 2/3 раза. Для исходной орбиты астероида удаление астероида от Солнца было равно полуоси его орбиты 0, а после разлета это же расстояние стало перицентрическим расстояним новой орбиты . Выразим отсюда 1.
здесь мы ввели обозначение 1 = 2−2/3 .
Теперь рассмотрим второй осколок. Он замедляется, следовательно, будет находится в апоцентре своей орбиты. Проведем аналогичные рассуждения.
здесь мы обозначили 2 = 22/3
Теперь запишем закон сохранения импульса. Мы можем это сделать в системе отчета центрального тела (Солнца), а можем перейти в систему отчета астероида, который распадается. Обозначим за 1 и 2 массы соответствующих осколков.
Избавимся от скоростей осколков в перицентре и апоцентре их орбит, выразив их через скорость астероида на круговой орбите и эксцентриситеты орбит осколков.
Запишем выражение для отношения масс осколков:
Подставим и в записанное выражение:
Существует и второй вариант, который может реализоваться в этой задаче. Второй осколок может полететь по эллиптической орбите уже в обратную сторону. При этом его скорость будет направлена строго против направления скорости исходного астероида, поскольку первый осколок по условию сохраняет направление своего движения. Запишем закон сохранения импульса в этом случае.
Критерии
Показать критерии
| Кри | итерии оценивания. | 16 |
|---|---|---|
| K1. | Анализ орбиты первого осколка. Нахождение эксцентриситета | 3 |
| K2. | Анализ орбиты второго осколка. Нахождение эксцентриситета | 3 |
| оставить в виде формулы для подстановки на финальном этапе задачи. При правильной записи формул или верных численных значениях пункты 1 и 2 оцениваются полностью. | ||
| K 3. | Верная запись и применение закона сохранения импульса. Случай 1 | 2 |
| По данному критерию баллы ставятся только в том случае, если участник корректно | ||
| записал закон сохранения импульса в любой из систем отчета. | ||
| K4. | Получение выражения для отношения масс. Случай 1 | 2 |
| K5. | Верная запись и применение закона сохранения импульса. Случай 2 | 2 |
| По данному критерию баллы ставятся только в том случае, если участник корректно | ||
| записал закон сохранения импульса в любой из систем отчета. | ||
| K 6. | Получение выражения для отношения масс. случай 2 | 2 |
| K7. | Запись финального ответа с двумя вариантами | 2 |
| Рассмотрение только одного из вариантов может быть оценено максимум в 10 баллов, по критериям №5 — 7 в этом случае ставится 0 баллов. |