На какую высоту от поверхности Земли поднялся космический корабль, если приборы отметили уменьшение ускорения свободного падения до 2,45 $м/с^{2}$?
Дано:
R = 6400 км;
g = 2,45 $м/с^{2}$;
M = $6 * 10^{24}$ кг;
$G = 6,67 * 10^{-11} \frac{Н * м^{2}}{кг^{2}}$.
Найти:
h − ?
СИ:
$R = 6,4 * 10^{6}$ м.
Решение:
$g = G * \frac{M}{(R + h)^{2}}$;
$g * (R + h)^{2}= GM$;
$(R + h)^{2} = \frac{GM}{g}$;
$R + h = \sqrt{\frac{GM}{g}}$;
$h = \sqrt{\frac{GM}{g}} - R$;
$h = \sqrt{\frac{6,67 * 10^{-11} * 6 * 10^{24}}{2,45}} - 6,4 * 10^{6} = \sqrt{\frac{40,02 * 10^{13}}{2,45}} - 6,4 * 10^{6} = \sqrt{163,35 * 10^{12}} - 6,4 * 10^{6} = 12,8 *10^{6} - 6,4 * 10^{6} = 6,4 * 10^{6}$ м = 6400 км.
Ответ: 6400 км.
Для решения задачи необходимо использовать закон всемирного тяготения и формулу для вычисления ускорения свободного падения.
Закон всемирного тяготения:
Закон всемирного тяготения гласит, что сила притяжения между двумя точечными массами прямо пропорциональна произведению этих масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
$$
F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}
$$
где:
$ F $ — сила гравитационного притяжения,
$ G $ — гравитационная постоянная ($ G \approx 6.674 \times 10^{-11} \, \text{Н} \cdot \text{м}^2 / \text{кг}^2 $),
$ m_1 $ и $ m_2 $ — массы взаимодействующих тел,
$ r $ — расстояние между центрами масс этих тел.
Акселерация свободного падения (ускорение свободного падения):
Ускорение свободного падения на поверхности Земли связано с её массой и радиусом следующим образом:
$$
g = G \frac{M}{R^2}
$$
где:
$ g $ — ускорение свободного падения на поверхности Земли ($ g \approx 9.8 \, \text{м/с}^2 $),
$ M $ — масса Земли ($ M \approx 5.972 \times 10^{24} \, \text{кг} $),
$ R $ — радиус Земли ($ R \approx 6.371 \times 10^6 \, \text{м} $).
Ускорение свободного падения на высоте:
Если космический корабль поднялся на высоту $ h $ от поверхности Земли, то расстояние от корабля до центра Земли будет равно сумме радиуса Земли и высоты $ h $:
$$
r = R + h
$$
На этой высоте ускорение свободного падения $ g_h $ будет меньше, чем на поверхности Земли, и определяется по формуле:
$$
g_h = G \frac{M}{(R + h)^2}
$$
Соотношение ускорений:
Из формулы для ускорения свободного падения на поверхности Земли и на высоте можно составить соотношение:
$$
\frac{g_h}{g} = \frac{R^2}{(R + h)^2}
$$
где $ g_h $ — ускорение свободного падения на высоте $ h $, $ g $ — ускорение свободного падения на поверхности Земли, $ R $ — радиус Земли, $ h $ — высота от поверхности Земли.
Решение задачи:
В задаче задано $ g_h = 2.45 \, \text{м/с}^2 $, $ g = 9.8 \, \text{м/с}^2 $, и требуется найти $ h $. Для этого из приведенного соотношения выразим $ h $:
$$ \frac{g_h}{g} = \frac{R^2}{(R + h)^2} $$
Решаем уравнение относительно $ h $:
$$ R + h = R \sqrt{\frac{g}{g_h}} $$
$$ h = R \left( \sqrt{\frac{g}{g_h}} - 1 \right) $$
Подставляя значения $ g $, $ g_h $, и $ R $, можно найти $ h $.
Пожауйста, оцените решение