ФОКУС В ТОЧКЕ ЛАГРАНЖА
p_5398de7f23ba347e
Планета обращается вокруг звезды с массой M по круговой орбите с радиусом R. С нее стартует космический аппарат. Он выходит на эллиптическую орбиту вокруг звезды, у которой точка старта является апоцентром, а второй фокус (свободный от звезды) совпадает
с текущим положением внутренней точки Лагранжа системы "планета-звезда". При каком отношении масс планеты и звезды (m/M<1) аппарат сможет без коррекций орбиты быстрее всего вернуться к планете? Взаимодействие аппарата с планетой не учитывать.
Решение
Показать решение
Для начала определим расстояние точки Лагранжа от планеты r. В этой точке физическое тело может вращаться вокруг звезды с той же угловой скоростью , что и планета. Запишем уравнения движения этого тела и планеты:
Вычтем из второго уравнения первое:
Воспользовавшись формулами для приближенного вычисления, получаем
В итоге имеем:
Коль скоро масса планеты меньше массы звезды, точка располагается недалеко от планеты. Орбита аппарата — эллиптическая. Апоцентр орбиты аппарата — единственная ее точка, где он может вернуться к планете. Наиболее быстрое возвращение может случиться через один оборот планеты, когда она сама окажется в этой точке. Тогда орбитальный период аппарата t должен быть равен T/N, где T — орбитальный период планеты, а N — натуральное число. Считая массу планеты малой по сравнению с массой звезды и не учитывая взаимодействие аппарата с планетой, получаем выражение для большой полуоси орбиты аппарата
Физический смысл имеет только случай с N=2, так как уже при N=3 мы получим значение a, меньшее R/2, что невозможно для апоцентра аппарата на расстоянии R. Исходя из расстояния в апоцентре, получаем значение эксцентриситета орбиты:
Точка является фокусом эллипса, и a(1-e)=r:
Отсюда получаем соотношение масс планеты и звезды
Система оценивания (от одного члена жюри). Решение задачи разбивается на несколько этапов, которые могут выполняться в произвольной последовательности.