19) Работа в поле тяготения. Потенциал в поле тяготения

Определим работу, которую совершают силы поля тяготения при перемещении в поле материальной точки массой m. Вычислим, какую надо затратить работу для удаления тела массой m от Земли. На расстоянии R (рис. 1) на тело действует сила   

Рис.1

При перемещении этого тела на расстояние dR совершается работа  (1)  Знак минус появляется потому, что сила и перемещение в данном случае противоположны по направлению (рис. 1).  Если тело перемещать с расстояния R₁ до R₂, то работа  (2)  Из формулы (2) следует, что затраченная работа в поле тяготения не зависит от траектории перемещения, а зависит лишь от начального и конечного положения тела, т. е. силы тяготения действительно консервативны, а поле тяготения являетсяпотенциальным.  Работа, совершаемая консервативными силами, равна изменению потенциальной энергии системы, взятому со знаком минус, т. е.    Из формулы (2) получаем  (3)  Так как в формулы входит только разность потенциальных энергий в двух состояниях, то для удобства принимают потенциальную энергию при R₂→∞ равной нулю (P₂=0). Тогда (3) запишется в виде P₁= -GmM/R₁. Поскольку первую точку мы выбрали произвольно, то    Величина    является энергетической характеристикой поля тяготения и называется потенциалом. Потенциал поля тяготения φ - скалярная величина, которая определяется потенциальной энергией тела единичной массы в данной точке поля или работой по перемещению единичной массы из данной точки поля в бесконечность. Таким образом, потенциал поля тяготения, создаваемого телом массой М, равен (4)  где R - расстояние от этого тела до рассматриваемой точки.  Из формулы (4) следует, что геометрическое место точек с равными потенциалами образует сферическую поверхность (R=const). Такие поверхности, для которых потенциал постоянен, называются эквипотенциальными.  Исследуем взаимосвязь между потенциалом φ поля тяготения и его напряженностью g. Из выражений (1) и (4) вытекает, что элементарная работа dA, совершаемая силами поля при малом перемещении тела массой m, равна    С другой стороны, dA=Fdl (dl - элементарное перемещение). Учитывая (24.1), полу¬чаем, что dA=mgdl, т. е. mgdl= -mdφ, или    Величина dφ/dl характеризует изменение потенциала на единицу длины в направлении перемещения в поле тяготения. Можно показать, что   (5)  где   - градиент скаляра φ. Знак минус в формуле (5) показывает, что вектор напряженности g направлен в сторону убывания потенциала.  В качестве частного примера, исходя из представлений теории тяготения, рассмотрим потенциальную энергию тела, находящегося на высоте h относительно Земли:    где R₀ - радиус Земли. Так как   и    то, учитывая условие h<<R₀, получаем   

20) Космическая скорость

[править | править исходный текст]

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Космическая скорость (первая v₁, вторая v₂, третья v₃ и четвёртая v₄) — это минимальная скорость, при которой какое-либо тело в свободном движении с поверхности небесного тела сможет:

• v₁ (круговая скорость) — стать спутником небесного тела (то есть вращаться по круговой орбите вокруг НТ на нулевой или пренебрежимо малой высоте относительно поверхности);

• v₂ (параболическая скорость, скорость убегания) — преодолеть гравитационное притяжение небесного тела и уйти на бесконечность;

• v₃ — покинуть звёздную систему, преодолев притяжение звезды;

• v₄ — покинуть галактику.

Третья и четвёртая космические скорости используются редко. Вторая космическая скорость обычно определяется в предположении отсутствия каких-либо других небесных тел (например, для Луны скорость убегания равна 2,4 км/с, несмотря на то, что в действительности для удаления тела на бесконечность с поверхности Луны необходимо преодолеть притяжение Земли, Солнца и Галактики).

Между первой и второй космическими скоростями существует простое соотношение:

Квадрат круговой скорости (первой космической скорости) с точностью до знака равен ньютоновскому потенциалу Φ на поверхности небесного тела (при выборе нулевого потенциала на бесконечности):

где M — масса планеты, R — радиус небесного тела, G — гравитационная постоянная.

Квадрат скорости убегания (второй космической скорости) равен удвоенному ньютоновскому потенциалу, взятому с обратным знаком:

Первая и вторая космические скорости для различных объектов[править | править исходный текст]

Небесное тело	Масса (по отношению к массе Земли)	v1, км/с	v2, км/с
Луна	0,0123	1,680	2,375
Меркурий	0,055	3,05	4,3
Марс	0,108	3,546	5,0
Венера	0,82	7,356	10,22
Земля	1	7,91	11,2
Уран	14,5	15,6	22,0
Нептун	17,5	16,7	24,0
Сатурн	95,3	25	36,0
Юпитер	318,3	43	61,0
Солнце	333 000	437	617,7
Сириус В	325 675		10 000
Нейтронная звезда	666 000		200 000
Чёрная дыра	832 500 — 5,6·1015		скорость света