Совершается ли работа при движении по круговой орбите искусственного спутника Земли; при торможении в атмосфере спускаемого аппарата?

Чтобы дать подробное теоретическое объяснение, рассмотрим понятие работы в физике, а также разберем условия, при которых работа совершается.

1. Работа в физике:

Работа силы — это физическая величина, которая характеризует действие силы на тело при его движении. Работа вычисляется по формуле:

$$ A = F \cdot s \cdot \cos \alpha, $$

где:
− $ A $ — работа силы (в Джоулях, Дж);
− $ F $ — модуль силы (в Ньютонах, Н);
− $ s $ — путь, пройденный телом (в метрах, м);
− $ \alpha $ — угол между направлением силы и направлением движения (в градусах или радианах).

Отсюда можно сделать важные выводы:
− Если сила перпендикулярна направлению движения ($ \alpha = 90^\circ $), то работа этой силы равна нулю ($ \cos 90^\circ = 0 $).
− Если сила направлена под углом к направлению движения ($ 0^\circ < \alpha < 90^\circ $), то работа положительна ($ \cos \alpha > 0 $).
− Если сила направлена противоположно движению ($ \alpha = 180^\circ $), то работа отрицательна ($ \cos 180^\circ = -1 $).

2. Движение по круговой орбите:

Когда искусственный спутник движется по круговой орбите вокруг Земли, на него действует сила тяжести Земли, направленная к её центру. В этом случае:
− Движение спутника происходит по окружности, и в каждый момент времени направление скорости спутника касательно к орбите (по касательной к окружности).
− Сила тяжести направлена к центру Земли, то есть перпендикулярна направлению движения (перпендикулярна вектору скорости спутника).

Так как сила тяжести перпендикулярна направлению движения спутника ($ \alpha = 90^\circ $), то косинус угла равен нулю ($ \cos 90^\circ = 0 $), а значит, работа силы тяжести при движении спутника по круговой орбите равна нулю. Сила тяжести лишь изменяет направление движения спутника, но не изменяет его кинетическую энергию.

3. Торможение спускаемого аппарата в атмосфере:

Когда спускаемый аппарат входит в атмосферу Земли, на него начинает действовать сила сопротивления воздуха, направленная противоположно его движению. В этом случае:
− Аппарат движется вниз по направлению к Земле.
− Сила сопротивления воздуха направлена противоположно вектору скорости аппарата ($ \alpha = 180^\circ $).

Подставляя угол $ \alpha = 180^\circ $ в формулу работы, получаем:

$$ A = F \cdot s \cdot \cos 180^\circ, $$

где $ \cos 180^\circ = -1 $. Следовательно, работа силы сопротивления воздуха будет отрицательной, что означает, что эта сила уменьшает кинетическую энергию аппарата. Торможение происходит за счет преобразования кинетической энергии аппарата в другие виды энергии, например, в тепловую энергию, которая выделяется из−за трения о воздух.

Таким образом, при торможении в атмосфере совершается отрицательная работа, которая приводит к замедлению аппарата и уменьшению его кинетической энергии.