Штучні супутники землі
Штучні супутники Землі.
Урок вивчення нової теми із застосуванням комп'ютерних програм:
1). Microsoft PowerPoint
2). Microsoft Excel
Більшакова Ганна Олександрівна,
вчитель фізики школи №40.
Мета: З'ясувати за яких умов тіло може стати штучним супутником Землі.
Розрахувати швидкість, яку потрібно повідомити тілу, щоб воно стало ШСЗ, з'ясувати її значення.
Звернемося ще раз до досвіду:
Кулька, що лежить на столі в точці А, прив'язана до одного з кінців гумового шнура. Другий кінець шнура прикріплений до столу О.
Якщо кулька штовхнути і надати самому собі, вона опише деяку дугу і зупиниться.
Питання: 1). Що є причиною зупинки кульки?
(FТР і FСОПР. повітря, які заважають руху та зменшують його швидкість)
2). Що станеться з кулькою, якщо зменшити дію сил, що гальмують?
(Він опише навколо точки Про дугу більшої довжини)
3). А якщо ще зменшити дію сил, що гальмують?
(Він опише навколо точки Про одну або кілька кіл, перш ніж зупиниться).
Якби вдалося усунути всі сили опору руху, то кулька рухалася б нескінченно по колу. При цьому напрям швидкості кульки безперервно змінювалося б під дією сили, спрямованої до центру.
Прикладом такого руху є звернення планет навколо Сонця та супутників навколо Землі.
Розглянемо більш детально питання про запуск та рух ШСЗ.
Розглянемо кілька уявних дослідів щодо кидання тіл у горизонтальному напрямку. Вважатимемо, що опір повітря можна знехтувати.
Запитання: 1). Як рухатиметься тіло, кинуте горизонтально, з деякою висоти? (По гілці параболи)
2). Під дією якої сили тіло відхилиться від прямолінійного шляху і описавши криву впаде на Землю?
Якщо швидкість наступного кидка збільшити, то під дією сили тяжіння тіло все одно впаде на Землю, але вже далі, ніж у першому випадку.
Насправді Земля – куля. Тому одночасно з просуванням тіла за своєю траєкторією поверхню Землі дещо віддаляється від нього.
Можна підібрати таке значення швидкості тіла, при якому поверхня Землі через її кривизну буде віддалятися від тіла якраз настільки, наскільки тіло наближається до Землі завдяки тяжінню до неї. Тоді тіло рухатиметься на постійній відстані від поверхні Землі.
Таке тіло стає штучним супутником Землі.
Запитання: 1). Чи можна рух супутника вважати вільним падінням? Чому?
(Так, тому що рухається під дією FТЯЖ.)
2). Чому супутники, звертаючись навколо Землі під дією FТЯЖ. не падають на Землю?
(Т.к. мають досить великий швидкістю, спрямованої по дотичній до кола, яким він рухається).
3). Які умови необхідні для того, щоб тіло стало ШСЗ?
Умови, за яких тіло стає ШСЗ:
Вивести межі земної атмосфери.
Надати йому певну швидкість, спрямовану по дотичній до траєкторії руху.
Виведемо формулу для розрахунку швидкості, яку треба повідомити тілу, щоб воно стало ШСЗ, рухаючись навколо неї по колу.
Питання:1). Під дією якої сили відбувається рух ШСЗ? (Під дією FТЯЖ.)
2). Яке прискорення надає йому сила? (Прискорення вільногопадіння).
3). Як воно спрямоване? (До центру Землі)
Питання: За якою формулою розраховується доцентрове прискорення?
Тепер підрахуємо числові значення першої космічної швидкості.
V = 7,9 км / с - Перша космічна швидкість
Питання: Яке визначення можна дати першій космічній швидкості?
А як виглядатиме формула для розрахунку першої космічної швидкості, якщо над поверхнею Землі знехтувати не можна.
Питання:1). Як розрахувати радіус орбіти супутника у разі?
2). Чи залежить прискорення вільного падіння від висоти тіла над Землею?
3). За якою формулою розрахувати прискорення вільного падіння деякою висотою над Землею?
4). Як залежить перша космічна швидкість від висоти?
5). Чи залежить перша космічна швидкість маси супутника?
6). Чи можна розрахувати за цією формулою першу космічну швидкість для інших планет?
Якщо швидкість тіла, що запускається на висоті h над Землею, перевищує відповідну цій висоті першу космічну швидкість, його орбіта є еліпс. Чим більша швидкість, тим витягнутішою буде еліптична орбіта.
При швидкості 11,2 км/с, яка називається другою космічною швидкістю, тіло долає тяжіння до Землі і йде в космічний простір, стаючи при цьому штучним супутником Сонця.
Виведення космічного апарату на орбіту.
Для того, щоб розпочався вільний орбітальний політ космічного апарату, його треба за допомогою ракети-носія вивести за межі земної атмосфери та повідомити йому достатню дляполіт швидкість. Вважатимемо, що початкова точка вільного орбітального польоту знаходиться на висоті 200 км. Кругова швидкість на цій висоті повинна дорівнювати 7,789 км/с.
При розрахунку траєкторії виведення на орбіти доводиться враховувати дві несумісні вимоги:
1). Щоб зменшити втрати на опір повітря земну атмосферу необхідно перетнути найкоротшим шляхом, тобто вертикально.
2). Для того, щоб набрати максимальну горизонтальну швидкість, необхідно дотримуватися порожнього розгону.
Розрахунки показують, що в оптимальних траєкторіях початкова ділянка повинна бути вертикальною з невеликим поступовим відхиленням у бік розрахункової початкової точки. У міру подальшого підйому шарах атмосфери зі зменшеною щільністю кути відхилення осі ракети-носія від вертикалі можна все більше збільшувати.
На малюнку показано траєкторію виведення космічного апарату на орбіту за допомогою двоступінчастої ракети. Крива АВ зображує активну ділянку виведення під дією сили тяги двигунів першого ступеня. На ділянці ПС показана пасивна траєкторія руху другого ступеня. У точці З включаються реактивні двигуни другого ступеня, під впливом тяги яких швидкість руху зростає до розрахункової швидкості орбітального польоту. У точці Н двигуни другого ступеня припиняють свою роботу, і космічний апарат, що відокремився від ракети-носія, починає свій орбітальний політ.
Загальні відомості про ШСЗ
Відповідно до міжнародної домовленості космічний апарат називається супутником, якщо він здійснив не менше одного обороту навколо Землі. Інакше вінвважається ракетним зондом, що проводив вимірювання вздовж балістичної траєкторії, і не реєструється як супутник.
Залежно від завдань, які вирішуються за допомогою ШСЗ, їх поділяють на науково-дослідні та прикладні.
Науково-дослідні ШСЗ служать для досліджень Землі, небесних тіл, космічного простору. До них належать, зокрема, геофізичні супутники, геодезичні супутники, орбітальні астрономічні обсерваторії та ін.
До науково-дослідних ШСЗ належать перші радянські супутники, радянські ШСЗ серій "Електрон", "Протон", "Космос", американські супутники серій "Авангард", "Експлорер", "ОГО", "ОСО", "ВАТ" (орбітальні геофізичні). , сонячні, астрономічні обсерваторії); англійський ШСЗ «Аріель», французький ШСЗ «Діадем» та ін. Науково-дослідні ШСЗ становлять близько половини всіх запущених ШСЗ.
До прикладних ШСЗ відносять супутники, що запускаються на вирішення тих чи інших технічних, господарських, військових завдань.
Такими є супутники зв'язку, метеорологічні супутники, ШСЗ для дослідження земних ресурсів, навігаційні супутники, супутники технічного призначення (для дослідження впливу космічних умов на матеріали, для випробувань і відпрацювання бортових систем) та ін.
ШСЗ, виведені на кругову екваторіальну орбіту, віддалену на 35860 км від поверхні Землі, і що рухаються у напрямку, що збігається з напрямком обертання Землі, «висять» нерухомо над однією точкою земної поверхні; такі супутники називаються стаціонарними
Енергоживлення бортової апаратури більшості ШСЗ здійснюється від сонячних батарей, панелі яких орієнтуються перпендикулярно напрямку сонячних променів або розташовані так, щоб частина з них освітлювалася Сонцем за будь-якого його положеннящодо ШСЗ (так звані всеспрямовані сонячні батареї). Сонячні батареї забезпечують тривалу роботу бортової апаратури (до кількох років). На ШСЗ, розрахованих обмежені терміни роботи (до 2—3 тижнів), використовуються електрохімічні джерела струму — акумулятори, паливні елементи. Деякі ШСЗ мають на борту ізотопні генератори електричної енергії. Тепловий режим ШСЗ, необхідний роботи їх бортової апаратури, підтримується системами терморегулирования.
Метеорологічні супутникипризначені для регулярної передачі на наземні станції телевізійних зображень хмарного, снігового та льодового покривів Землі, відомостей про теплове випромінювання земної поверхні та хмар тощо. ПЗС цього типу запускаються на орбіти, близькі до кругових, висотою від 500-600 км до 1200-1500 км; смуга огляду з них сягає 2-3 тис. км. До метеорологічним супутникам належать деякі радянські ШСЗ серії "Космос", супутники "Метеор", американські ШСЗ "Тірос", "ЕССА", "Німбус". Проводяться експерименти за глобальними метеорологічними спостереженнями з висот, що досягають 40 тис. км (радянський ШСЗ «Блискавка-1», американський ШСЗ «АТС»).
Винятково перспективними з точки зору застосування в народному господарстві є супутники для дослідження природних ресурсів Землі. контролю забруднень природного середовища
Навігаційні супутники,функціонування яких підтримується спеціальною наземною системою забезпечення, служать для навігації морських кораблів, у тому числі підводних. Корабель, приймаючи радіосигнали та визначаючисвоє положення щодо ШСЗ, координати якого на орбіті в кожний момент відомі з високою точністю, встановлює своє місцезнаходження. Прикладом навігаційних ШСЗ є американські супутники "Транзит", "Навсат".
Пілотовані кораблі-супутники-ШСЗ, призначені для польоту людей,