Вывод второй космической скорости
Вторая космическая скорость — это минимальная скорость, которую нужно сообщить телу у поверхности планеты, чтобы оно удалилось от неё на бесконечно большое расстояние и больше не вернулось. Её формулу получают из закона сохранения механической энергии, приравнивая начальную энергию тела к энергии на бесконечности.
Физический смысл второй космической скорости
Рассмотрим тело массой \(m\), находящееся у поверхности планеты радиусом \(R\) и массой \(M\). Тело запускают вертикально вверх с начальной скоростью \(v_2\). Сопротивлением атмосферы, вращением планеты и влиянием других небесных тел пренебрегаем.
Вторая космическая скорость \(v_2\) — минимальная скорость у поверхности планеты, при которой тело может преодолеть её гравитационное притяжение и удалиться на бесконечность. Для минимальной скорости тело достигает бесконечности с нулевой скоростью.
При скорости, равной второй космической, тело на бесконечности имеет \(v=0\). Если скорость меньше, тело остановится на конечном расстоянии и упадёт обратно. Если скорость больше, тело также улетит, но с ненулевой скоростью на бесконечности.
Энергия тела в поле тяготения
Для расстояния \(r\) от центра планеты гравитационная потенциальная энергия тела равна \(E_p=-\frac{GMm}{r}\). Нуль потенциальной энергии выбирают на бесконечности: при \(r\to\infty\) величина \(E_p\) стремится к нулю. Знак «минус» показывает, что тело связано с планетой: чтобы удалить его бесконечно далеко, нужно сообщить положительную энергию.
Эта формула выражает механическую энергию тела в гравитационном поле. В отличие от формулы потенциальной энергии около поверхности Земли \(mgh\), она подходит для больших расстояний, сравнимых с радиусом планеты. Подробно о выборе нулевого уровня энергии см. страницу гравитационный потенциал.
Вывод формулы второй космической скорости
Запишем закон сохранения механической энергии для двух положений: у поверхности планеты и на бесконечности. В начальный момент \(r=R\), скорость тела равна \(v_2\). В конечном состоянии \(r\to\infty\), а скорость минимально необходимого запуска равна нулю.
Для сферически симметричной планеты без учёта сопротивления атмосферы и вращения планеты \(\boxed{v_2=\sqrt{\frac{2GM}{R}}}\). Скорость не зависит от массы запускаемого тела: масса \(m\) сократилась при выводе.
У поверхности планеты ускорение свободного падения связано с её массой и радиусом формулой \(g=\frac{GM}{R^2}\). Поэтому формулу можно записать и так:
Для Земли получаем примерно \(v_2\approx11{,}2\ \text{км/с}\). Это значение измеряют относительно поверхности Земли и при идеализированных условиях. Реальная ракета должна дополнительно преодолевать сопротивление атмосферы и потери энергии.
Почему в формуле второй космической скорости масса тела \(m\) не появляется?
Разобранный пример
Найдём вторую космическую скорость для Земли, если \(g=9{,}8\ \text{м/с}^2\), а \(R=6{,}4\cdot10^6\ \text{м}\). Используем форму без массы Земли: \(v_2=\sqrt{2gR}\).
Ответ: \(v_2\approx11{,}2\ \text{км/с}\). Если в условии даны \(M\) и \(R\), применяйте формулу \(\sqrt{2GM/R}\); если даны \(g\) и \(R\), удобнее использовать \(\sqrt{2gR}\).
Связь с первой космической скоростью
Первая космическая скорость — скорость движения по круговой орбите у поверхности планеты. Из равенства гравитационной силы и центростремительной силы получают \(v_1=\sqrt{GM/R}\). Поэтому вторая космическая скорость больше первой в \(\sqrt{2}\) раз:
При первой космической скорости тело остаётся связанным с планетой и движется по орбите. При второй космической оно получает ровно столько энергии, чтобы граница связанного движения оказалась на бесконечности. Связь орбитальных скоростей также рассматривается в теме вторая космическая скорость.
1. Использовать \(mgh\) для полёта на бесконечность: эта формула применима только при небольших изменениях высоты. 2. Ставить в конечном состоянии скорость, отличную от нуля: это уже не минимальная вторая космическая скорость. 3. Забывать, что \(R\) — расстояние от центра планеты до поверхности. 4. Брать отрицательный корень: скорость выбирают положительной. 5. Путать вторую космическую скорость с горизонтальной скоростью выхода на орбиту.
Сначала выберите нулевой уровень потенциальной энергии на бесконечности. Затем запишите полную энергию у поверхности и на бесконечности, приравняйте их, положите конечную скорость равной нулю и проверьте единицы измерения.
Быстрая проверка
Главное
- Вторая космическая скорость — минимальная скорость ухода тела на бесконечность.
- При минимальном запуске на бесконечности \(v_\infty=0\), а потенциальная энергия равна нулю.
- Из закона сохранения энергии получается \(v_2=\sqrt{2GM/R}=\sqrt{2gR}\).
- Идеальная скорость не зависит от массы запускаемого тела; для Земли она примерно равна $11{,}2\ \text{км/с}.
- Для решения задач важно правильно выбрать нулевой уровень потенциальной энергии и использовать расстояние от центра планеты.