Gravitaatiopakeneminen – irrotautuminen keskimassasta
1 · Ennusta
Satelliitti laukaistaan sivuttain keskimassan ohit juuri pakonopeuden yläpuolella sen etäisyydellä. Palauduuko se radalle, kiertääkö ikuisesti vai lähteekö se eikä koskaan palaudu?
- Se pakenee – sen etäisyys kasvaa jatkuvasti eikä se koskaan palaudu.
- Se asettuu suljetulle radalle keskimassan ympärille.
- Se hidastuu, kääntyy ja putoaa takaisin kohti keskimassaa.
2 · Kokoa
- Avaa Gravitaatiopakeneminen-esiasetus ja paina Nollaa. Kirjaa keskimassan parametri GM ja satelliitin lähtöetäisyys r keskustasta.
- Varmista, että nopeusanturi on kiinnitetty satelliittiin – se raportoi satelliitin nopeuden suhteessa keskimassaan m/s.
- Jokaiselle alla olevalle suoritukselle aseta GM ja laukaisuetäisyys r listattuihin arvoihin, paina Toista ja kirjaa satelliitin nopeus laukaisuhetkellä.
3 · Kerää data
| Keskimassan parametri GM (m³/s²) | Laukaisuetäisyys r (m) | Pakonopeus v_esc (m/s) | Mitattu laukaisunopeus v (m/s) |
|---|---|---|---|
| 40.00 | 2.80 | ||
| 40.00 | 4.00 | ||
| 60.00 | 3.00 |
Kuvaa mitattu laukaisunopeus v (y-akseli) laskemaasi pakonopeutta v_esc vasten (x-akseli) kolmelle suorituksellesi. Kuvaile viiva ja arvioi sen kulmakerroin.
4 · Analysoi
- Jokaiselle riville jaa mitattu laukaisunopeus v lasketulla pakonopeudella v_esc. Mitä huomaat tästä suhteesta kaikkien kolmen suorituksen välillä, ja mitä suhde suurempi kuin 1 kertoo siitä, pakeneeko satelliitti?
- Ominaiskiertoenergia on ε = v²/2 − GM/r. Laske ε ensimmäiselle suorituksellesi mitatulla laukaisunopeudella. Osoita, että se on positiivinen, ja selitä, miksi positiivinen ε tarkoittaa, että satelliitti on irtonainen.
5 · Laajenna
- Ennusta, minkä polun satelliitti seuraisi, jos se laukaistaisiin täsmälleen pakonopeudella (suhde = 1.00) arvon 1.08× sijaan. Pysähtyisikö se koskaan oikeasti, ja millä etäisyydellä? Selitä ε:n avulla.
- Todellisen avaruusaluksen, joka laukaistaan planeetan pinnalta, on myös noustava ilmakehän vastuksen läpi ennen avaruuteen pääsyä. Tekisikö se todellisuudessa tarvittavan pakonopeuden suuremmaksi vai pienemmäksi kuin tässä laskettu ideaalinen v_esc = √(2GM/r)? Miksi?
Tämän kokeen fysiikka
Pakonopeus
…Nopeammin laukaistuna se pakenee ylijäävällä energialla.
Ympyräratanopeus
Nopeus, joka pitää ympyräradan samalla etäisyydellä r. Pakonopeus on täsmälleen √2 kertaa tämä – hyödyllinen vertailukohta arvioitaessa, kuinka pitkälle jokainen laukaisu oikeasti on ”radalla pysymisen” yläpuolella.
Mekaniikka
- Heittoliike ja liike-energia
- Pallo rampilla: energia kitkattomalla kaltevuudella
- Palikka kitkarampilla: lepokitkan kynnyksen löytäminen
- Rajanopeus: putoaminen ilmanvastuksen läpi
- Voimalaboratorio: Newtonin toinen laki
- Vastakkaiset voimat: Newtonin toinen laki ja liikemäärä
- Pomppiva pallo: energian menetys törmäyksessä
- Kimmoiset törmäykset ja liikemäärän säilyminen
- Kimmoamaton törmäys ja liikemäärän säilyminen
- Newtonin keilu: liikemäärän ja energian siirtyminen
- Yksinkertainen heiluri
- Massa jousessa: tasainen värähtelyliike