ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. Κεντρικές υνάµεις. 1. α) Αποδείξτε ότι η στροφορµή διατηρείται σε ένα πεδίο κεντρικών δυνάµεων και δείξτε ότι η κίνηση είναι επίπεδη.

Σχετικά έγγραφα
ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Σεπτέμβριος 2012

Κίνηση πλανητών Νόµοι του Kepler

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι - ΙΟΥΝΙΟΣ 2013 ΘΕΜΑΤΑ και ΛΥΣΕΙΣ

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Φεβρουάριος 2013

Σφαιρικά σώµατα και βαρύτητα

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι - ΙΟΥΝΙΟΣ 2013 ΘΕΜΑΤΑ και ΛΥΣΕΙΣ

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι - ΙΟΥΝΙΟΣ Θέματα και Λύσεις. Ox υπό την επίδραση του δυναμικού. x 01

( ) ( r) V r. ( ) + l 2. Τι είδαμε: m!! r = l 2. 2mr 2. 2mr 2 + V r. q Ξεκινήσαμε την συζήτηση για το θέμα κεντρικής δύναμης

ΦΥΣ η ΠΡΟΟΔΟΣ 8-Μάρτη-2014

Ενότητα 4: Κεντρικές διατηρητικές δυνάμεις

ΦΥΣ η ΠΡΟΟΔΟΣ 8-Μάρτη-2014

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7. Συστήµατα Υλικών Σηµείων

ΚΕΦΑΛΑΙΑ 3,4. Συστήµατα ενός Βαθµού ελευθερίας. k Για E 0, η (1) ισχύει για κάθε x. Άρα επιτρεπτή περιοχή είναι όλος ο άξονας

της µορφής:! F = -mk! r

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Σεπτέµβριος β) Υλικό σηµείο µάζας m κινείται στον άξονα Οx υπό την επίδραση του δυναµικού

( ) = ke r/a όπου k και α θετικές σταθερές

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι - Εξεταστική Ιουνίου 2014

ΦΥΣ. 211 Τελική Εξέταση 11-Μάη-2015

Κίνηση πλανητών Νόµοι του Kepler

ΦΥΣΙΚΗ Ι. ΤΜΗΜΑ Α Ε. Στυλιάρης

Τροχιές σωμάτων σε πεδίο Βαρύτητας. Γιώργος Νικολιδάκης

ΦΥΣ η ΠΡΟΟΔΟΣ 5-Μάρτη-2016

1. Κινηµατική. x dt (1.1) η ταχύτητα είναι. και η επιτάχυνση ax = lim = =. (1.2) Ο δεύτερος νόµος του Νεύτωνα παίρνει τη µορφή: (1.

Βαρύτητα Βαρύτητα Κεφ. 12

ΦΥΣ η ΠΡΟΟΔΟΣ 7-Μάρτη-2015

όπου Μ η µάζα της Γης την οποία θεωρούµε σφαίρα οµογενή, G η παγκόσµια σταθερά της βαρύτητας και L!

ΛΥΣΕΙΣ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑΤΟΣ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΥ mu 1 2m. + u2. = u 1 + u 2. = mu 1. u 2, u 2. = u2 u 1 + V2 = V1

Κεφάλαιο 8. Βαρυτικη Δυναμικη Ενεργεια { Εκφραση του Βαρυτικού Δυναμικού, Ταχύτητα Διαφυγής, Τροχιές και Ενέργεια Δορυφόρου}

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Σεπτέµβριος 2003

ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ/ ΣΤΕΦ 3//7/2013 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΓΡΑΠΤΗΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

O y. (t) x = 2 cos t. ax2 + bx + c b 2ax b + arcsin. a 2( a) mk.

Υλικό σηµείο µάζας m, κινείται εντός δυναµικού πεδίου δεχόµενο ελκτική κεντρική δύναµη F!

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Φεβρουάριος 2004

GMm. 1 2GM ) 2 + L2 2 + R L=4.5 L=4 L=3.7 L= 1 2 =3.46 L= V (r) = L 2 /2r 2 - L 2 /r 3-1/r

Υλικό σηµείο µάζας m έλκεται από σταθερό κέν τρο Ο µε δύναµη F! που περιγράφεται από την σχέση:! F = f(r)! r

mv V (x) = E με V (x) = mb3 ω 2

Στροφορµή. Αν έχουµε ένα υλικό σηµείο που κινείται µε ταχύτητα υ, τότε έχει στροφορµή

Γ ΤΑΞΗ ΤΜΗΜΑ ΟΝΟΜΑ. ΘΕΜΑ 1ο. 7 mr 5. 1 mr. Μονάδες 5. α. 50 W β. 100 W γ. 200 W δ. 400 W

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΙΙ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ Διανύσματα - Διανυσματικές Συναρτήσεις

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΚΕΝΤΡΙΚΕΣ ΥΝΑΜΕΙΣ

ΦΥΣ Διαλ Κινηµατική και Δυναµική Κυκλικής κίνησης

L 2 z. 2mR 2 sin 2 mgr cos θ. 0 π/3 π/2 π L z =0.1 L z = L z =3/ 8 L z = 3-1. V eff (θ) =L z. 2 θ)-cosθ. 2 /(2sin.

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Εξέταση στη Μηχανική I 2 Σεπτεμβρίου 2010

Κίνηση σε κεντρικό δυναμικό

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι - ΙΟΥΝΙΟΣ Θέµατα και Λύσεις

ΦΥΣΙΚΗ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ Ομάδας Προσανατολισμού Θετικών Σπουδών Τζιόλας Χρήστος. και Α 2

ΕΥΤΕΡΑ 28 ΙΟΥΝΙΟΥ 1999 ΦΥΣΙΚΗ ΘΕΤΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ

x y και να γίνει επαλήθευση. Βρείτε τη µερική λύση που για x=1 έχει κλίση 45 ο. Α τρόπος Η Ε γράφεται (1)

F mk(1 e ), όπου k θετική σταθερά. Στο όχημα ασκείται

Θέµατα Φυσικής Θετικής Κατεύθυνσης Β Λυκείου 1999 ΕΚΦΩΝΗΣΕΙΣ

GMR L = m. dx a + bx + cx. arcsin 2cx b b2 4ac. r 3. cos φ = eg. 2 = 1 c

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ

Κεφάλαιο 3 Κίνηση σε 2 και 3 Διαστάσεις

Επαναληπτικό ιαγώνισµα Β Τάξης Λυκείου Κυριακή 7 Μάη 2017 Οριζόντια Βολή-Κυκλική Κίνηση-Ορµή Ηλεκτρικό& Βαρυτικό Πεδίο

i) Σε κάθε πλήρη περιστροφή το κινητό Α διαγράφει τόξο ίσου µήκους µε το τόξο που διαγράφει το κινητό Β

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΟΛΛΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ

1. Για το σύστηµα που παριστάνεται στο σχήµα θεωρώντας ότι τα νήµατα είναι αβαρή και µη εκτατά, τις τροχαλίες αµελητέας µάζας και. = (x σε μέτρα).

Reynolds. du 1 ξ2 sin 2 u. (2n)!! ( ( videos/bulletproof-balloons) n=0

ΦΥΕ 14 5η ΕΡΓΑΣΙΑ Παράδοση ( Οι ασκήσεις είναι βαθµολογικά ισοδύναµες) Άσκηση 1 : Aσκηση 2 :

Φροντιστήριο 4 ο : Πεδίο βαρύτητος, Θερµότης,.

ΦΥΕ 14 5η ΕΡΓΑΣΙΑ Παράδοση ( Οι ασκήσεις είναι βαθμολογικά ισοδύναμες) Άσκηση 1 : Aσκηση 2 :

ΦΥΣ Διάλ Άλγεβρα. 1 a. Άσκηση για το σπίτι: Διαβάστε το παράρτημα Β του βιβλίου

ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΕΛΞΗ ΘΕΩΡΙΑ & ΑΣΚΗΣΕΙΣ

ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟΥ ΕΤΟΥΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ, 8 Μαρτίου 2019 Διδάσκοντες: Βαρσάμης Χρήστος, Φωτόπουλος Παναγιώτης

6ο ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Κυριακή 22 Μάρτη 2015 Μηχανική Στερεού Σώµατος

4. Ορµή και στροφορµή

Θεωρία Φυσικής Τμήματος Πληροφορικής και Τεχνολογίας Υπολογιστών Τ.Ε.Ι. Λαμίας

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ Τµήµα Επιστήµης Υπολογιστών. HY-112: Φυσική Ι Χειµερινό Εξάµηνο 2016 ιδάσκων : Γ. Καφεντζής. εύτερη Σειρά Ασκήσεων - Λύσεις.

ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ/ ΣΤΕΦ 3/2/2016 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ Ο.Ε.Φ.Ε ΘΕΜΑΤΑ ΦΥΣΙΚΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΘΕΤΙΚΗΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ

ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΟ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ Απρίλιος 2015

Ο µαθητής που έχει µελετήσει το κεφάλαιο νόµος παγκόσµιας έλξης, πεδίο βαρύτητας πρέπει:

Μέθοδος Hohmann αλλαγής τροχιάς δορυφόρου και σχεδιασμός διαπλανητικών τροχιών

ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟΥ ΕΤΟΥΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ Διδάσκοντες: Βαρσάμης Χρήστος, Φωτόπουλος Παναγιώτης

ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ 2019

ΦΥΣ. 111 Κατ οίκον εργασία # 8 - Επιστροφή Πέµπτη 09/11/2017

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Εξέταση στη Μηχανική Ι 20 Οκτωβρίου 2011

όπου x η συντεταγµένη του σωµατιδίου, θεωρούµενη µε αρχή ένα στα θερό σηµείο Ο του άξονα και α, U 0 σταθερές και θετικές ποσότητες.

ΕΚΦΩΝΗΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ. = 2r, τότε:

ΚΕΝΤΡΟ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ & ΧΗΜΕΙΑΣ ΕΔΟΥΑΡΔΟΥ ΛΑΓΑΝΑ Ph.D. Λεωφ. Κηφισίας 56, Αμπελόκηποι Αθήνα Τηλ.: , ,

Κίνηση σε μία διάσταση

ΦΥΣ Πριν αρχίσετε συµπληρώστε τα στοιχεία σας (ονοµατεπώνυµο και αριθµό ταυτότητας).

ΦΥΣ Πριν αρχίσετε συµπληρώστε τα στοιχεία σας (ονοµατεπώνυµο και αριθµό ταυτότητας).

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ. ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Σεπτέµβριος 2004

Παράδειγµα διατήρησης στροφορµής

v = r r + r θ θ = ur + ωutθ r = r cos θi + r sin θj v = u 1 + ω 2 t 2

ΦΥΣΙΚΗ ΘΕΤΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ 2008 ΕΚΦΩΝΗΣΕΙΣ


2 Η ΠΡΟΟΔΟΣ. Ενδεικτικές λύσεις κάποιων προβλημάτων. Τα νούμερα στις ασκήσεις είναι ΤΥΧΑΙΑ και ΟΧΙ αυτά της εξέταση

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ

Περι-Φυσικής. Θέµα Α. 1ο Επαναληπτικό ιαγώνισµα Καµπυλόγραµµες Κινήσεις - Κρούσεις. Ονοµατεπώνυµο: Βαθµολογία %

( σφόνδυλος : τροχαλία με μεγάλη μάζα)

i) Εάν η κρούση είναι µετωπική και πλαστική, να δείξετε ότι η τρο χιά του συσσωµατώµατος που δηµιουργείται είναι ελλειπτική.

10. Παραγώγιση διανυσµάτων

Προσομοίωση βαρύτητας

O y. (t) x = 2 cos t. ax2 + bx + c b 2ax b + arcsin. a 2( a) mk.

ΦΥΣΙΚΗ ΟΜΑΔΑΣ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ. Α5. α. Λάθος β. Λάθος γ. Σωστό δ. Λάθος ε. Σωστό

Προγραμματισμένο διαγώνισμα Φυσικής κατεύθυνσης Γ Λυκείου Κυριακή 6 Απριλίου 2014

1ο ιαγώνισµα Β Τάξης Ενιαίου Λυκείου Κυριακή 9 Νοέµβρη 2014 Φυσική Προσανατολισµού - Μηχανική

Transcript:

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. Κεντρικές υνάµεις 1. α) Αποδείξτε ότι η στροφορµή διατηρείται σε ένα πεδίο κεντρικών δυνάµεων και δείξτε ότι η κίνηση είναι επίπεδη. 1 β) Σε ένα πεδίο κεντρικών δυνάµεων F =, ένα σώµα, µε µάζα m=1, βρίσκεται τη χρονική στιγµή t= στη θέση = i j + k µε ταχύτητα υ = i + k. Να βρεθεί η ενέργεια του σώµατος, η στροφορµή και η εξίσωση του επιπέδου της κίνησης. Είναι η κίνηση περατωµένη; Εξηγήστε. α) Είναι d = M = F = e Fe = =σταθ. dt Επίσης = m υ = σταθ. υ = σταθ. = υ Άρα η κίνηση πρέπει να γίνεται στο επίπεδο που είναι κάθετο και που ορίζεται από τα διανύσµατα, υ. Αφού, η εξίσωση του επιπέδου µπορεί να δοθεί από τη σχέση = β) Στο δοσµένο πεδίο δυνάµεων αντιστοιχεί το δυναµικό V( ) = 1/. 1 1 1 1 1 1 1 E = mυ = υ = (1 + 1 ) = 1 + ( ) + 1 i j k i j k = m υ = m x y z = 1 1 = ( i + k) υ υ υ x y z 1 1 = ( i + k)( xi + yj + zk) = x+ z = Το πεδίο δύναµης είναι ελκτικό, αντιστρόφως ανάλογο του τετραγώνου της απόστασης. Άρα για Ε=1/ > η τροχιά του σώµατος θα είναι υπερβολή, δηλαδή µηπερατωµένη.. Να δείξετε ότι σε πεδίο ελκτικών δυνάµεων F () ένα σώµα µάζας m µπορεί πάντοτε να εκτελέσει κυκλική κίνηση ακτίνας µε σταθερή γωνιακή ταχύτητα ω. είξτε επίσης ότι η ταχύτητα u της κυκλικής τροχιάς δίνεται από τη σχέση F ( ) u =. m Από τη διαφορική εξίσωση m = F() που περιγράφει την κίνηση ενός m σώµατος m σε πεδίο ελκτικών δυνάµεων F () ως προς την ακτίνα του, βλέπουµε

ότι τα σηµεία ισορροπίας της αντιστοιχούν σε κυκλική κίνηση. Τα σηµεία ισορροπίας βρίσκονται από τη λύσης της εξίσωσης m = F( ) + =. Η εξίσωση m αυτή έχει πάντα λύση αν F () <, όταν δηλαδή έχουµε ελκτική δύναµη. Η γωνιακή ταχύτητα της κίνησης είναι ϑ = ω =, δηλαδή σταθερή. Για την ταχύτητα της m κίνησης έχουµε u = ω = = u = = F( = ). m m m m m m. Υλικό σηµείο µάζας m =1 κινείται στο πεδίο κεντρικών δυνάµεων 5 F () =. Κάποια χρονική στιγµή βρίσκεται στη θέση ˆ 5 1 = 6iˆ+ 7ˆj k και η 1 ταχύτητα του είναι u1 = ( 4iˆ+ 67 ˆj+ 445k ˆ). Να βρεθεί το µέτρο της ταχύτητας του 86 όταν βρεθεί στη θέση ˆ = 5iˆ 5ˆj+ 6k Από την αρχή διατήρησης της ενέργειας έχουµε: 1 mu1 + V( 1 1) = mu + V( ). Επειδή = + + = και 1 ( 6) 7 ( 1) 86 = + + = έχουµε 5 ( 5) 6 86 1 = V( 1) = V( ), οπότε και 1 1 mu1 = mu. Εποµένως 1 5 u = u1 = 4 + 67 + 445 =. 86 86 4. Υλικό σηµείο µε µάζα m = 1 κινείται στο πεδίο κεντρικών δυνάµεων που προέρχονται από το δυναµικό V() = k/( ), όπου k >. (α) Βρείτε την τιµή της ενέργειας της κυκλικής τροχιάς ακτίνας a. (β) Η κυκλική αυτή τροχιά είναι ευσταθής ή ασταθής; 4 α) Η κεντρική δύναµη που αντιστοιχεί στο δυναµικό είναι η F = k/. Η ταχύτητα της κυκλικής τροχιάς δίνεται από τη σχέση υ = F( )/ m, δηλαδή για =a k έχουµε υ =. Άρα η ενέργεια θα είναι a 1 1 k k k E = υ + V( a) = = a a 6a β) Για την µελέτη της ευστάθειας έχουµε F'( a) 1 + = < ασταθης Fa ( ) a a

5. α) Για το πεδίο κεντρικών δυνάµεων F () = k/, k> δείξτε ότι οι κυκλικές τροχιές υλικού σηµείου µάζας m αντιστοιχούν στην ελάχιστη τιµή ενέργειας και mk δείξτε ότι αυτή (η ελάχιστη τιµή) είναι η Emin =, όπου η στροφορµή. β) Για το κεντρικό πεδίο δυνάµεων F () = k/ + a/, a>, k>, να βρείτε την ακτίνα των κυκλικών τροχιών ως συνάρτηση της στροφορµής καθώς και την ευστάθειά τους. α) Η κυκλική τροχιά αντιστοιχεί στα ακρότατα του υποθετικού δυναµικού k V ' = +, m δηλαδή για ακτίνα = για την οποία dv ' k = η F ( ) + = + = = = d m m mk Το παραπάνω ακρότατο είναι ελάχιστο, άρα το υποθετικό δυναµικό έχει ελάχιστη τιµή V αυτή που αντιστοιχεί στην ενέργεια της κυκλικής τροχιάς Ε : ' min mk V ' = V '( ) = = E Άρα πρέπει E V ' min η E E β) Για κυκλική τροχιά µε = πρέπει k a + ma + + = = m km γ) Για την ευστάθεια έχουµε F'( ) k km + F () = a k = > + = = min Άρα η κυκλική τροχιά είναι ευσταθής για κάθε. 6. α) Να δείξετε ότι η εξίσωση κινήσεως σε πεδίο κεντρικών δυνάµεων m = F() +, µετατρέποντας τις παραγώγους ως προς το χρόνο σε παραγώγους m ως προς τη γωνία, παίρνει τη µορφή 4 d d mf ( ) = dθ dθ β) Να βρεθεί το πεδίο κεντρικών δυνάµεων F = F() στο οποίο είναι δυνατή η ύπαρξη τροχιών της µορφής kθ =, k=σταθ..

α) Στον όρο m µετατρέπουµε τις παραγώγους ως προς το χρόνο σε παραγώγους ως προς τη γωνία και αντικαθιστούµε το θ από τη σχέση θ = / m. d d d d d d 1 d d(1/ ) m = m θ = m = + = dt dθ dt dθ m dt dθ dθ dt d d 1 d d d d = θ + θ d d d = d m 4 d θ θ θ θ θ d θ Εξισώνοντας την παραπάνω σχέση για το m µε το ο µέλος την ζητούµενη εξίσωση. F () + βρίσκουµε m β) Αντικαθιστώντας την καµπύλη = kθ στην εξίσωση του υπο-ερωτήµατος (α) βρίσκουµε 4 m k 6 k = F ( ) F ( ) = (6 k+ ) = (6 k+ ), k = σταθ. 4 4 m 7. Να βρεθεί το πεδίο κεντρικών δυνάµεων F() στο οποίο είναι δυνατή η ύπαρξη τροχιών της µορφής = asin( bθ ), µε ab>,. Ποία συνθήκη πρέπει να ικανοποιούν C τα ab,, ώστε η δύναµη να είναι της µορφής F () =, όπου C σταθερά διάφορη του n µηδενός και n 1 φυσικός; 4 d d m Θεωρούµε δεδοµένη τη διαφορική εξίσωση = dϑ dϑ Παραγωγίζοντας την εξίσωση της τροχιάς δυο φορές παίρνουµε F(). d d abcos( b ) a b cos ( b ) a b 1 sin ( b ) b ( a ) d ϑ = = ϑ dϑ ϑ = ϑ =, d = ab sin( bϑ ) = b. dϑ Αντικαθιστώντας τις δυο παραπάνω σχέσεις στην διαφορική εξίσωση έχουµε 4 4 m a b m b b ( a ) = F () b + b = F () ( b 1 ) a b F () = 5 m Από την έκφραση της δύναµης βλέπουµε ότι για b = 1 και a > η δύναµη είναι της C a µορφής F () = µε C = και n = 5. n m

k 8. Σε πεδίο κεντρικών δυνάµεων F = e, k >, υλικό σηµείο εκτελεί ελλειπτική τροχιά µε εκκεντρότητα e και µεγάλο ηµι-άξονα a. Να βρεθεί η απόσταση στην οποία παρουσιάζεται η µικρότερη ταχύτητα υ min κατά µήκος της τροχιάς, καθώς και η υ min. Πόση πρέπει να γίνει η ταχύτητα στην απόσταση για να εκτελέσει το σώµα i) κυκλική τροχιά ii) παραβολική τροχιά; k 1 Από την σχέση υ = m a παρατηρούµε ότι η ελάχιστη ταχύτητα υ=υ min παρουσιάζεται όταν = max. Στην έλλειψη max =a(1+e) και άρα k 1 k 1 e υmin = = (1) m a(1 + e) a ma1 + e (i) Για κυκλική τροχιά θα είναι e= και a= και άρα από την (1) F ( ) k k υ = = = m m ma(1 + e) (ii) Η παραβολική τροχιά αντιστοιχεί σε Ε=, δηλαδή 1 k k k mυ = υ = υ = m ma( 1 + e) 9. ύο αστεροειδείς Σ 1 και Σ κινούνται σε ελλειπτικές τροχιές γύρω από τον ήλιο µε µεγάλους ηµιάξονες a 1 =1, a = 4 ( 1.6) και εκκεντρότητες e 1 =.1 και e =., αντίστοιχα. Επίσης, η γραµµή των αψίδων τους συµπίπτει και τα περιήλιά τους βρίσκονται προς την ίδια πλευρά ως προς τον ήλιο. α) Να βρεθεί η ελάχιστη και η µέγιστη µεταξύ τους απόσταση στην οποία θα µπορούσαν να βρεθούν οι αστεροειδείς πάνω στη γραµµή των αψίδων. β) Αν αρχικά οι δύο αστεροειδείς βρίσκονται στο περιήλιό τους και η περίοδος περιστροφής του Σ 1 είναι ίση µε Τ 1, σε πόσο χρόνο θα ξαναβρεθούν ταυτόχρονα και οι δύο στα περιήλιά τους; α) Όπως φαίνεται στο σχήµα, η ελάχιστη απόσταση στην οποία µπορούν να βρεθούν οι αστεροειδείς είναι όταν βρίσκονται και οι δύο στα περιήλιά τους ή στα αφήλιά τους, δηλαδή Α Α 1 Η Π Π 1 ΠΠ 1 =ΗΠ ΗΠ 1 = a(1 e) a1(1 e1) = 1.6(1.) 1(1.1) =.8 και ΑΑ =ΗΑ ΗΑ = a (1 + e ) a (1 + e ) = 1.6(1 +.) 1(1 +.1) =.8 1 1 1 1

Η µέγιστη απόσταση εµφανίζεται όταν ο ένας αστεροειδής είναι στο περιήλιο και ο άλλος στο αφήλιο. Είναι ΠΑ 1 =ΗΠ 1+ΗΑ = a1(1 e1) + a(1 + e) = 1(1.1) + 1.6(1 +.) =.8 και ΠΑ =ΗΠ +ΗΑ = a (1 e ) + a (1 + e ) = 1.6(1.) + 1(1 +.1) =.8 1 1 1 1 Άρα η ελάχιστη απόσταση είναι ίση µε.8 και η µέγιστη ίση µε.8. β) Σύµφωνα µε τον τρίτο νόµο του Κέπλερ θα είναι T a a = = = T 1 T a a T T 1 1 1 1 Άρα εξωτερικός αστεροειδής γυρίζει µε διπλάσια περίοδο. Ο Σ 1 βρίσκεται στο Π 1 τις χρονικές στιγµές, Τ 1, Τ 1, Τ 1 κλπ Ο Σ βρίσκεται στο Π τις χρονικές στιγµές, Τ =Τ 1, Τ,=4Τ 1 κλπ Άρα µετά τη χρονική στιγµή t= θα ξαναβρεθούν στα περιήλιά τους σε χρόνο t=t 1 1. Να αποδειχτεί ότι σε µια κεπλεριανή έλλειπτική τροχιά σώµατος µάζας m, η 1/ (1 e ) στροφορµή δίνεται από τη σχέση = π ma. T Ο ος νόµος που αναφέρεται στη κίνηση µε σταθερή εµδαδική ταχύτητα (δηλαδή σταθερή στροφορµή) ισχύει για οποιαδήποτε κεντρική δύναµη. Ο 1ος και ο ος νόµος ισχύουν µόνο για δυνάµεις -1/. β) Η στροφορµή είναι σταθερή κατά µήκος της έλλειψης. Θεωρούµε το περίκεντρο της έλλειψης όπου = mυ (1) (γιατί στις αψίδες περίκεντρο και αφήλιο είναι υ ) Είναι = a(1 e), k 1 υ =, m a k = GMm Αντικαθιστώντας τις παραπάνω σχέσεις στην (1) και από τον τρίτο νόµο του Keple 4π την σχέση GM = a, προκύπτει το ζητούµενο αποτέλεσµα. T 11. ιαστηµικό σκάφος µάζας m κινείται γύρω από τη Γη (που τη θεωρούµε ακίνητη) σε ελλειπτική τροχιά µε εκκεντρότητα e=.5 και µεγάλο ηµιάξονα a. Τη στιγµή t= το σκάφος περνάει από το περίκεντρο της τροχιάς του µε ταχύτητα υ. (α) Πόσο πρέπει να αυξήσουµε το µέτρο της ταχύτητας του σκάφους σε σχέση µε τη υ ώστε η τροχιά του να γίνει παραβολική; (β) Πάνω στη παραβολική τροχιά, σε πόση απόσταση, σε σχέση µε την αρχική, θα βρίσκεται το σκάφος όταν η ταχύτητά του ξαναγίνει ίση µε υ ; γ) Πόση θα είναι η στροφορµή του σκάφους ως προς τη Γη στην παραπάνω απόσταση;

α) Το περίκεντρο της ελλειπτικής τροχιάς βρίσκεται σε απόσταση GMm 1 GM = a(1 e) = a/ µε ταχύτητα υ = υ =. m a a ' Για να έχουµε στο = παραβολική τροχιά πρέπει η ταχύτητα υ να είναι τέτοια ώστε Ε=. Άρα 1 GMm ' GM ' mυ' = υ = ή υ = υ 1.15υ (δηλαδή αύξηση a 15%) β) Έστω σηµείο της παραβολικής τροχιάς σε απόσταση µε ταχύτητα υ. Θα είναι 1 mυ GMm = ' = GMm = Gm = 4 a ή ' = ' mυ m GM / a γ) Η στροφορµή θα είναι ίδια µε αυτή της αρχικής θέσης (για την παραβολική τροχιά) ' όπου = = a/, υ = υ = GM και υ (περίκεντρο). Άρα a = mυ = m GMa 1. Υλικό σηµείο κινείται σε κυκλική τροχιά στο πεδίο κεντρικών δυνάµεων k F () =, k >. Αν απότοµα η σταθερά k ελαττωθεί στο µισό, να δειχθεί ότι η τροχιά γίνεται παραβολική. (α) Η ταχύτητα u µε την οποία κινείται το σώµα σε κυκλική τροχιά στο πεδίο k κεντρικών δυνάµεων F () = δίνεται από τη σχέση F ( ) k u = m = m. Όταν η σταθερά k ελαττωθεί στο µισό η ενέργεια το σώµατος γίνεται: 1 1 k ( k / ) E = mu + V( ) = m =. m Εποµένως έχουµε παραβολική τροχιά. 1. ορυφόρος µάζας m κινείται σε κυκλική τροχιά σε απόσταση = R από το κέντρο της Γης (µάζας Μ). Σε κάποια χρονική στιγµή δέχεται παρόρµηση κατά τη διεύθυνση της κίνησής του, που αυξάνει το µέτρο της ταχύτητάς του κατά 5%. α) Να βρεθεί η ενέργεια και η στροφορµή του δορυφόρου πριν την παρόρµηση. β) Να βρεθεί η ενέργεια και η στροφορµή του δορυφόρου µετά την παρόρµηση. γ) Να βρεθεί η ελάχιστη και η µέγιστη απόσταση από το κέντρο της Γης από την οποία περνάει ο δορυφόρος µετά την παρόρµηση.

Σε κάθε περίπτωση (πριν και µετά την παρόρµηση) η ενέργεια και η στροφορµή δίνονται από τις σχέσεις 1 k E = mυ ( k = GMm), = m υ = mυ ( υ) k α) Πριν την παρόρµηση έχουµε = R, υ = υ = και αντικαθιστώντας στις mr σχέσεις (1) παίρνουµε k E =, = mrk R (1) υ υ R R R min R max Πριν την παρόρµηση Μετά την παρόρµηση 5 k β) Μετά την παρόρµηση είναι = R, υ = 1.5υ = και αντικαθιστώντας 4 mr στις σχέσεις (1) παίρνουµε 7k 5 E =, = mrk R 4 γ) Αφού και µετά την παρόρµηση είναι Ε<, η τροχιά θα είναι έλλειψη µε µεγάλο ηµιάξονα και εκκεντρότητα k k 16R a = = = E 7k 7 R 7k 5 mr k E R 16 9 e = 1 + 1.56 mk = mk = 16 Άρα 16R 9 min = a(1 e) = (1 ) = R και 7 16 16R 9 5 = a(1 + e) = (1 + ) = R 7 16 7 max

Σηµείωση, το γεγονός ότι min = R προκύπτει από το γεγονός ότι η ταχύτητα µετά την παρόρµηση είναι µεγαλύτερη από αυτή της κυκλικής τροχιάς και κάθετη στην ακτινική διεύθυνση. Άρα η αρχική θέση (=R) είναι περίγειο. 14. ορυφόρος µάζας m =1 kg κινείται σε ελλειπτική τροχιά γύρω από τη Γη. Τη στιγµή που περνάει από το µικρότερο ύψος, σε απόσταση =1 km (από το κέντρο της Γης) έχει ταχύτητα 6.6 km/sec. Ποια είναι η µέγιστη απόσταση του δορυφόρου από τη Γη και τι ταχύτητα έχει σε εκείνο το σηµείο; Πόσο χρόνο διαρκεί η µετάβαση από την ελάχιστη απόσταση στη µέγιστη απόσταση; ( ίνονται µάζα Γης 6. 1 4 kg, σταθερά βαρύτητας 7. 1-11 N m /kg. Οι υπολογισµοί να γίνουν κατά προσέγγιση) Το σηµείο µε την µικρότερη απόσταση = 1 =1 1 6 m είναι το περίκεντρο της τροχιάς, άρα 1 = a(1 e) (1), όπου a, e ο µεγάλος ηµιάξονας και η εκκεντρότητα της τροχιάς. Επίσης στο σηµείο αυτό η ταχύτητα είναι υ1=6.6 1 m/sec και θα ισχύει η σχέση υ1 k 1 = m 1 a (). Αντικαθιστώντας τις γνωστές τιµές στους τύπους (1) και () και λύνοντας ως προς τον µεγάλο ηµιάξονα και την εκκεντρότητα βρίσκουµε a 16 km, e.5 Η µέγιστη απόσταση θα είναι αυτή του απόκεντρου της τροχιάς, δηλαδή η Η ταχύτητα σε αυτό το σηµείο θα είναι υ1 = a(1 + e) km k 1 = m a Η περίοδος T της τροχιάς δίνεται από τον νόµο του Keple υ1 4km/sec 4π T = GM T h. µάζα της Γης. Αντικαθιστώντας τις τιµές βρίσκουµε sec 5,5 Άρα ο χρόνος τ από το περίκεντρο στο απόκεντρο θα είναι τ=τ/, δηλαδή τ.75 h a, όπου Μ η 15. Σώµα µάζας m = 4 κινείται στο πεδίο απωστικών κεντρικών δυνάµεων 116 F () =. Αν τη χρονική στιγµή t = το σώµα βρίσκεται στη θέση = iˆ+ ˆj 4kˆ µε ταχύτητα u = iˆ+ ˆj+ kˆ, να υπολογίσετε την ενέργεια του E και την στροφορµή του τη χρονική στιγµή t =. (β) Η ενέργεια και η στροφορµή είναι ολοκληρώµατα της κίνησης οπότε η τιµή τους παραµένει σταθερή για κάθε χρονική στιγµή. Εποµένως η τιµή τους για t = είναι ίδια µε την τιµή τους για t =. Για t = έχουµε u = ( 1) + 1 + = 11. Οπότε παίρνουµε = + + ( 4) = 9 και

1 k 1 4 9 E = mu + = 411 + = 4, 9 iˆ ˆj kˆ = m u = 4 4 = 4 (9+ 4) iˆ (6 4) ˆj+ (+ ) kˆ = 5iˆ 8ˆj+ kˆ. 1 1