Штучні супутники Землі. Перша й друга космічні швидкості. Розвиток космонавтики

1-й семестр

МЕХАНІКА

2. Динаміка

Урок 10/30

Тема. Штучні супутники Землі. Перша й друга космічні швидкості. Розвиток космонавтики

Мета уроку: навчити учнів розраховувати першу космічну швидкість і орбітальну швидкість супутників. Розповісти про етапи розвитку космонавтики

Тип уроку: комбінований урок

План уроку

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Перша й друга космічні

Штучні супутники Землі – космічні літальні апарати, виведені на навколоземні орбіти. Вони призначаються для розв’язування різних наукових і прикладних задач.

4 жовтня 1957 р. у нашої планети з’явився перший супутник, зроблений руками людини. Почалася нова – космічна ера людства. За першим супутником пішли другий, третій; сьогодні орбітами літають уже тисячі штучних тіл.

Супутники використовуються для наукових досліджень. Інформація, яка подається з супутників, сприяє полегшенню вирішення різних народногосподарських завдань. Вони дозволили людині вперше подивитися на свою планету збоку. І першими цю можливість гідно оцінили метеорологи. Тепер лише години потрібні їм для того, щоб отримати уявлення про перебіг процесів, що визначають погоду на всій земній кулі.

За допомогою ШСЗ уперше було виміряно густину верхньої атмосфери (за змінами орбіти), досліджено особливості поширення радіосигналів в іоносфері, перевірено теоретичні розрахунки й основні технічні рішення, пов’язані з виведенням ШСЗ на орбіту.

Штучні супутники літають зазвичай на висоті 150-200 км. На цих висотах атмосфера вже не чинить помітного опору руху. Максимальна висота польоту може бути значно більшою й нерідко досягає десятків і навіть сотень тисяч кілометрів.

У одній зі своїх книг Ньютон пропонував уявити собі, що на дуже високій горі встановили величезну гармату і стріляють з неї в горизонтальному напрямі. Чим більша швидкість снаряда, тим далі він полетить. І якщо швидкість снаряда буде достатньо великою, він облетить всю Землю по коловій орбіті, тобто стане штучним супутником.

O Швидкість, якої потрібно надати супутнику, щоб він рухався навколоземною орбітою (на меншій висоті, у порівнянні з радіусом Землі), називають першою космічною швидкістю.

Обчислимо цю швидкість. Поблизу поверхні Землі на супутник діє сила тяжіння F = mg, де m – маса супутника. Ця сила надає супутнику прискорення оскільки радіус орбіти можна вважати приблизно однаковим з радіусом Землі. Відповідно до другого закону Ньютона, F = mадоц, тому: Звідси випливає, що перша космічна швидкість дорівнює:

Маючи першу космічну швидкість, тіло не впаде на Землю, але ця швидкість замала для того, щоб віддалити тіло на таку відстань, коли притягання Землі перестане відігравати істотну роль.

O Щоб тіло змогло залишити Землю й перетворитися на штучну планету – супутник Сонця, йому слід надати так званої другої космічної швидкості.

Вона дорівнює: З такою швидкістю тіло виходить за межі земного тяжіння.

Друга космічна швидкість уперше була досягнута під час запуску першої ракети в бік Місяця 2 січня 1959 р.

O Третя космічна швидкість – це швидкість, необхідна для того, щоб тіло могло залишити межі Сонячної системи й рушити в Галактику.

2. Розрахунок орбітальної швидкості супутників

Розрахуємо орбітальну швидкість супутника під час руху коловою орбітою на висоті h над Землею.

З одного боку, на супутник діє сила:

З іншого боку, відповідно до другого закону Ньютона:

F = mадоц

Звідки:

Звідси випливає, що супутник рухається коловою орбітою на висоті h над поверхнею Землі зі швидкістю:

Слід зазначити, що швидкість супутника зменшується з висотою: на високих орбітах вона менша, ніж на низьких.

3. Деякі етапи розвитку космонавтики

04.10.1957 p.: виведено на навколоземну орбіту перший у світі штучний супутник Землі. Цей старт ознаменував початок космічної ери в історії людства.

03.11.1957 p.: був запущений другий радянський ШСЗ – перший у світі штучний супутник Землі з живою істотою. На його борту перебував собака Лайка.

15.05.1958 p.: третій радянський ШСЗ був першим у світі супутником для проведення наукових досліджень.

02.01.1959 p.: ракета-носій “Восток” вивела на траєкторію польоту до Місяця радянську автоматичну міжпланетну станцію “Луна-1”, що пройшла на відстані 6 000 км від поверхні Місяця й вийшла на геліоцентричну орбіту. Вона стала першим у світі штучним супутником Сонця.

12.09.1959 p.: до Місяця стартувала АМС “Луна-2”, що вперше у світі досягла поверхні Місяця.

19.08.1960 p.: було запущено космічний корабель “Восток” із собаками Білкою та Стрілкою на борту, які успішно повернулися на Землю.

12.04.1961 p.: уперше на навколоземну орбіту було виведено космічний корабель “Восток” з космонавтом Ю. О. Гагаріним на борту.

06.08.1961 p.: почався політ космічного корабля “Восток-2” з космонавтом Г. С. Тітовим на борту. Політ тривав 1 добу 1 годину 18 хвилин.

12.10.1964 p.: перший у світі політ багатомісного космічного корабля. Космонавти В. Комаров, К. Феоктистов, Б. Єгоров уперше у світі здійснили політ без скафандрів.

18.03.1965 p.: космонавт О. Леонов уперше вийшов у відкритий Космос.

12.11.1965 p.: було виведено на траєкторію польоту до Венери станцію “Венера-2”. Вона пролетіла на відстані 24 000 км від Венери.

03.02.1966 p.: автоматична станція “Луна-9” першою у світі здійснила м’яку посадку на поверхні Місяця, після чого передала панорамне зображення поверхні Місяця.

21.07.1969 p.: першою людиною, яка ступила на поверхню Місяця, став американець Ніл Армстронг (21 липня 1969 p.). Місяць – також єдине небесне тіло, зразки грунту якого були доставлені на Землю.

02.12.1971 p.: спускний апарат автоматичної міжпланетної станції “Марс-3” здійснив м’яку посадку на поверхню Марса. За 1,5 хв. після посадки станція почала працювати й передавати на Землю відеосигнал.

Від часу перших космічних польотів ракети, що стартують наразі в космос, значно вдосконалені. Сьогодні на навколоземні орбіти з їх допомогою виводяться й великі космічні станції, і сотні штучних супутників.

Кожен зі штучних супутників – це винесений за межі Землі інструмент пізнання навколишнього світу. Наукові супутники можна назвати своєрідними полігонами для перевірки нових ідей і конструкцій і отримання унікальної інформації, яку жодним іншим способом не добути. У середині 1980-х pp. NASA прийняла програму створення чотирьох астрономічних обсерваторій, розташовуваних у космосі. З певними затримками, але всі чотири телескопи були запущені на орбіту. Першим почав свою роботу “ХАББЛ” (1990), призначений для дослідження Всесвіту у видимому діапазоні довжин хвиль, за ним пішов “КОМПТОН” (1991), що вивчав космічний простір за допомогою гама-променів, третім був “ЧАНДРА” (1999), який використовує рентгенівські промені, а завершив цю велику програму “СПІТЦЕР” (2003), на частку якого припав інфрачервоний діапазон. Усі чотири обсерваторії було названо на честь видатних американських учених.

4. Внесок українських учених у розвиток космонавтики

У розвиток космічних програм був зроблений великий внесок українськими фахівцями. Значний внесок у розробку теорії космічних польотів зробив український учений Ю. В. Кондратюк (А. И. Шаргей).

Народився Ю. В. Кондратюк 21 червня 1897 р. у Полтаві.

У 1929 р. вийшла друком його книга “Завоювання міжпланетних просторів”, у якій учений розробив теорію проміжних станцій (ракетних баз) у вигляді супутників планет, розрахував траєкторії економічного зльоту із Землі, уперше запропонував використати як пальне для ракетних двигунів деякі метали, наприклад, магній, літій, алюміній та ін.; розробив перший варіант експедиції на Місяць через навколомісячну орбіту.

Розрахунки Юрія Кондратюка були використані американцями для створення місячної програми й висадки на Місяці, запропонована вченим траєкторія польоту названа “трасою Кондратюка”.

Юрій Кондратюк загинув смертю хоробрих під час війни.

За своє життя ця геніальна людина не встигла здобути ні визнання, ні нагород у себе на Батьківщині. Він перший, хто запропонував творити станцію – супутник Місяця. Саме його ідеєю скористалися для здійснення польотів перших астронавтів на місяць американці. На космодромі мису Канаверал вдячні американці спорудили йому пам’ятник. Можливо, коли-небудь це зроблять і в Україні. А поки що ім’ям Ю. Кондратюка названі траса, якою перша людина летіла для висадки на Місяці, і кратер на зворотному боці Місяця.

Становлення космічної галузі в Україні почалося ще в 1937 р. зі створення в Харківському авіаційному інституті реактивної групи під керівництвом Г. Проскури. Було здійснено запуск великої стратосферної ракети.

У 1951 р. рішенням уряду було ухвалено створити в Дніпропетровську завод для складання ракет. У 1954 р. на території заводу було організовано Конструкторське бюро, головним конструктором якого призначили М. К. Янгеля.

Українські підприємства “Комунар”, “Арсенал”, “Моноліт”, Євпаторійський космічний центр брали участь у підготовці запуску першого штучного супутника Землі.

З початку 1960-х pp. підприємства України почали розробляти системи керування, бортову автоматику та інші системи й прилади для космічних об’єктів і комплексів.

У 1992 р. було створене Національне космічне агентство України. За два роки була прийнята Державна космічна програма України на 1993-1997 pp. Державне конструкторське бюро “Південне” разом з партнерами із СІЛА, Росії й Норвегії створили ракетно-космічний комплекс “Морський старт” і ракетний комплекс “Дніпро” на базі міжконтинентальних балістичних ракет РС-20 (“Сатана”, за класифікацією НАТО).

У рамках розвитку міжнародного співробітництва в листопаді 1997 р. було здійснено політ першого космонавта незалежної України Леоніда Каденюка в складі екіпажа американського космічного корабля “Колумбія”.

У 2001 р. було завершено шість пусків українських ракет-носіїв: “Зеніт-2”, “Зеніт-3SL”, “Циклон-2”, “Циклон-3”.

Виведено на орбіти 15 космічних апаратів, одним із яких був україно-російський космічний апарат “АУОС-СМ-КФ”, призначений для реалізації програми дослідження сонячної активності в межах спільного україно-російського проекту “КОРОНАС”.

Запитання до учнів під час викладу нового матеріалу

1. Чому супутники, обертаючись навколо Землі під дією сили тяжіння, не падають на Землю?

2. Що необхідно зробити з фізичним тілом, щоб воно перетворилося на штучний супутник Землі?

3. Як рухається супутник, що має першу космічну швидкість? другу космічну швидкість?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Тренуємося розв’язувати задачі

1. Чи може супутник обертатися навколо Землі коловою орбітою зі швидкістю 1 км/с? За якої умови це можливо?

2. Чи може супутник обертатися навколо Землі коловою орбітою, здійснюючи 30 обертів на добу? (Відповідь: ні, тому що для цього радіус орбіти має бути меншим за радіус Землі).

3. Оцініть масу Сонця, коли відстань між Сонцем і Землею дорівнює 150 млн. км. Земля рухається навколо Сонця зі швидкістю 30 км/с.

4. На якій висоті над поверхнею Землі сила тяжіння зменшується на 10 %?

2). Контрольні запитання

1. Яка сила надає супутнику доцентрового прискорення під час його руху навколо Землі?

2. Як має бути спрямована швидкість тіла в момент його виходу на орбіту, щоб воно стало штучним супутником Землі?

3. Під час руху коловою орбітою супутник рухається з прискоренням вільного падіння. Як би ви у зв’язку з цим відповіли на запитання: падає супутник чи не падає?

Що ми дізналися на уроці

– Мінімальну швидкість, якої потрібно надати тілу, щоб воно стало штучним супутником Землі, називають першою космічною швидкістю:

– Супутник рухається коловою орбітою на висоті h над поверхнею Землі зі швидкістю:

– Необхідно зазначити, що швидкість супутника зменшиться залежно від висоти: на високих орбітах вона буде меншою, ніж на низьких.

Домашнє завдання

1. П.:§§23, 24.

2. 36.:

Р1) – 8.4; 8.5; 8.8;

Р2) – 8.27; 8.28; 8.29; 8.30;

Р3) – 8.48; 8.49; 8.50; 8.52.