Задачи на первую космическую скорость 10 класс: ГДЗ по физике за 9-11 классы к сборнику задач по физике для 9-11 классов составитель Г.Н.СтепановаДвижение искусственных спутников

Содержание

Проект 5. Скоростной спутник Земли

Первая космическая скорость

Прежде чем приступить к обсуждению проекта барона, вспомним, что такое первая и вторая космические скорости. Для того чтобы заранее предвосхитить все возможные недоумения учащихся представим наши рассуждения в форме воображаемого диалога Автора с Читателем.

Автор: Как вы считаете, можно ли неограниченно долго падать на Землю и при этом... не упасть на нее?

Читатель: Думаю, нет. В конце концов, всё, что падает, упадет.

Автор: А как же искусственные спутники Земли? Они ведь всё время находятся в свободном падении.

Читатель: Спутники? Но они же вращаются вокруг Земли, а не падают на нее!

Автор: Под падением я понимаю движение под действием одной-единственной силы — силы тяжести. А на спутник с выключенными двигателями никакие другие силы как раз и не действуют. Так что движение спутника — это типичное свободное падение.

Читатель: Тогда я не понимаю, как же спутникам удается удержаться на орбите...

Автор: Вас удивляет, что сила тяжести тянет спутник к центру Земли, а он движется по окружности? А посмотрите на шарик, который вращают на нити в горизонтальной плоскости (рис. 5.1): сила натяжения нити всё время направлена к центру окружности, а шарик движется по окружности.

На спутник же вместо силы натяжения нити действует сила тяжести (рис. 5.2).

Чтобы было понятнее, проведем такой мысленный эксперимент. Поднимемся на очень высокую башню — высотой километров эдак в сто (на этой высоте сила сопротивления воздуха уже практически отсутствует) — и будем бросать с башни камешки, как показано на рис. 5.3. Чем с большей скоростью мы бросим камешек, тем дальше упадет он от основания башни. Наконец, при какой-то определенной скорости он вообще не упадет на землю, а вернется к нам с противоположной стороны.

Тут необходима осторожность: учитывая, что скорость такого камешка должна быть раз в 10 больше скорости артиллерийского снаряда, то последствия могут быть. .. сами понимаете. А скорость такого камешка как раз и называется первой космической. Сформулируем это четче.

Первой космической скоростью называется скорость, которую надо сообщить телу, чтобы оно стало спутником Земли и двигалось по круговой орбите на небольшой по сравнению с радиусом Земли высоте.

Давайте сразу и вычислим первую космическую скорость хI. Так как тело находится на небольшой высоте h R, то ускорение свободного падения будем считать равным g = 9,8 м/с2. Единственная сила, которая действует на тело, движущееся по круговой орбите вокруг Земли — это сила тяжести . Она-то и сообщает телу центростремительное ускорение , где R — радиус Земли.

По второму закону Ньютона:

Подставим численные значения (R = 6,400·106 м, g = 9,8 м/с2), получим:

Запомним: первая космическая скорость хI = 7,9 км/с.

Заметим, что по формуле (5. 1) можно вычислить первую космическую скорость не только для Земли, но и для любой другой планеты.

Читатель: А если камешку на рис. 5.3 сообщить скорость х > 7,9 км/с?

Автор: При скорости, большей первой космической, траектория камешка (или космической станции) из окружности превратится в эллипс, который по мере увеличения скорости будет становиться всё более вытянутым (рис. 5.4). Наконец, при скорости х = 11,2 км/с, которую называют второй космической, траектория тела из эллипса превратится в параболу и тело навсегда покинет пределы земного тяготения.

Идея скоростного спутника

Теперь об идее барона. Скорость, с которой его спутник вращается вокруг Земли — 30 км/c — значительно больше первой космической скорости, которая, как мы с вами выяснили, составляет всего 7,9 км/c! Но у спутника барона, как видно из рисунка на плакате, имеется двигатель, который выбрасывает реактивную струю в направлении от центра орбиты! Этот двигатель создает дополнительную силу, которая теперь вместе с силой тяготения сообщает спутнику центростремительное ускорение. Иными словами, центростремительная сила увеличилась на величину силы тяги реактивного двигателя, а, значит, увеличилось и центростремительное ускорение. Теперь второй закон Ньютона для спутника будет иметь вид:

где f — реактивная сила, х — скорость спутника, R — радиус орбиты, m — масса спутника, а g — ускорение свободного падения (рис. 5.5).

Из формулы (5.2) ясно, что, увеличивая реактивную силу f, мы можем увеличивать скорость вращения спутника х. Теоретически нам никто не мешает сделать реактивную силу сколь угодно большой, а значит и скорость обращения спутника можно теоретически неограниченно увеличивать вплоть до скорости света. Проблемы начинаются там, где мы от теории переходим к практике.

Сначала ответим на возражение Профессора. Он опасается, что, поскольку скорость спутника превышает не только первую, но и вторую космическую, то наш спутник удалится от Земли на бесконечное расстояние. Профессор просто забыл, что это справедливо только для небесного тела — то есть спутника, не имеющего никаких двигателей. Наличие двигателя всё принципиально меняет. С двигателем можно улететь с Земли с 

любой, даже очень маленькой скоростью (если не жалко горючего), а можно и не улететь от нее далеко, двигаясь очень быстро!

Так что возражение Профессора мы не принимаем.

Теперь остановимся на возражении Инженера: почему не увеличивается скорость, если работает двигатель? То есть почему не увеличивается скорость, если на спутник действует сила?

Тут уместен контрвопрос: а почему не увеличивается скорость спутника, который движется вокруг Земли по круговой орбите с первой космической скоростью (см. рис. 5.2)? На него ведь тоже действует сила тяготения. А почему не увеличивается скорость шарика, который мы раскручиваем на веревке (см. рис. 5.1)? На него ведь тоже действует сила натяжения нити!

Дело в том, что все эти силы направлены перпендикулярно к направлению скорости, поэтому они не совершают механической работы: угол, который составляет каждая из этих сил с вектором малого перемещения, равен 90°, поэтому работа всех этих сил равна: А = F·Δs·cos90° = 0. И все эти силы «занимаются» не увеличением величины скорости тела, а изменением

направления скорости.

Можно спросить: на что же тогда тратится энергия топлива, ведь она же не может исчезнуть? Увы, она тратится довольно расточительно — на увеличение внутренней энергии продуктов сгорания топлива.

Самый неприятный для барона вопрос задал Бизнесмен: «А сколько потребуется горючего?»

Не будем огорчать барона: очень много, лучше даже не рассчитывать, чтобы не расстраиваться. Двигатель должен работать на полную мощность постоянно, а ведь топливо еще надо доставить на орбиту! Правда, барон ничего не сказал о конструкции своего двигателя. Может быть, он уже научился черпать энергию «из физического вакуума», как предлагают некоторые современные изобретатели? Тогда другое дело!

Лучше сделаем другую оценку. Вычислим, какую перегрузку будет испытывать барон, если он окажется внутри собственного спутника. То есть вычислим, во сколько раз вес барона в спутнике будет больше его веса на Земле.

Заметим, что в спутнике барона невесомости нет — что, конечно, хорошо, если вес не слишком велик, и очень плохо, если вес становится слишком большим!

Итак, пусть наш барон имеет массу 100 кг и движется в своем спутнике по орбите радиусом 6400 км, то есть на околоземной орбите. Тогда ускорение свободного падения равно g = 9,8 м/с2 (рис. 5.6). Скорость спутника v = 30 км/с.

На барона действуют две силы: сила реакции со стороны пола и сила тяготения. Запишем второй закон Ньютона в проекции на направление нормали :

, отсюда:

Ясно, что по третьему закону Ньютона с точно такой же по величине силой барон будет давить на пол:

Р = N = 1300 кгс.

В то же время на Земле вес барона, имеющего массу 100 кг, равен 100 кгс. Таким образом, вес барона в спутнике увеличится в 13 раз!

В истории космонавтики были случаи, когда в течение нескольких секунд космонавты выдерживали подобные перегрузки и при этом оставались живы. Но наш барон человек исключительной физической силы, поэтому, возможно, он выдержит несколько минут такого полета. Хотя, честно говоря, лучше бы сбросить скорость хотя бы до 20 километров в секунду: амбиции амбициями, а жизнь всё-таки дороже!

Далее: Проект 6. Перевернутый небоскреб

Презентация "Искусственные спутники Земли" - астрономия, презентации

библиотека
материалов

Содержание слайдов

Номер слайда 1

Строение Солнечной системы. Движение искусственных спутников Земли и космических аппаратов

Номер слайда 2

Сегодня на уроке1 Вспомним, почему искусственные спутники не падают на поверхность Земли при своём движении вокруг неё. 2 Дадим определения первой, второй и третьей космическим скоростям.3 Выясним, по каким орбитам могут двигаться космические аппараты в зависимости от их начальной скорости.4 Узнаем, какие орбиты космических аппаратов называются гомановскими.

Номер слайда 3

Любые два тела притягивают друг друга силами, прямо пропорциональными произведению масс этих тел и обратно пропорциональными квадрату расстояния между ними. И. Ньютон. Закон всемирного тяготения𝐹=𝐺𝑚1𝑚2𝑟3𝑟 

Номер слайда 4

Схема запуска искусственного спутника Земли предложенная Ньютоном. На очень высокой горе установили огромную пушку и стреляют из неё в горизонтальном направлении. Вследствие притяжения к Земле траектория будет искривляться. Но чем больше скорость снаряда, тем дальше он летит. И при некоторой достаточно большой скорости снаряд будет лететь вдоль поверхности Земли, двигаясь по окружности. Таким образом, снаряд станет исз

Номер слайда 5

Условия движения ИСЗНьютон приходит к выводу: Отсутствие сопротивления. Очень большая скорость.

Номер слайда 6

Движение спутника является примером свободного падения. Но! Спутник не падает на Землю. ПОЧЕМУ?

Номер слайда 7

Обладает большой скоростью направленной по касательной к окружности, по которой он движется.

Номер слайда 8

Тогда тело будет двигаться на постоянном расстоянии h от поверхности Земли, т. е по окружности радиусом Rз + h

Номер слайда 9

Вывод: Чтобы тело стало ИСЗ, его нужно вывести за пределы Земной атмосферы и придать ему определённую скорость направленную по касательной к окружности, по которой он будет двигаться

Номер слайда 10

Иоганн Кеплер1571—1630 Первый закон Кеплера (1605):все планеты движутся по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце. Второй закон Кеплера (1602):радиус-вектор планеты описывает в равные промежутки времени равновеликие площади. Третий закон Кеплера (1618):квадраты периодов обращения планет относятся как кубы больших полуосей их орбит:𝑇12𝑇22=𝑎13𝑎23. 

Номер слайда 11

И. Кеплер. Движение одного небесного тела в поле тяготения другого небесного тела происходит по одному из конических сечений. Первый обобщённый закон Кеплера. Окружность Эллипс Парабола Гипербола

Номер слайда 12

Квадраты сидерических периодов спутников, умноженные на сумму масс главного тела и спутника, относятся как кубы больших полуосей орбит спутников. И. Кеплер. Третий обобщённый закон Кеплера𝑇12𝑀1+𝑚1𝑇22𝑀2+𝑚2=𝑎13𝑎23 

Номер слайда 13

Номер слайда 14

Искусственные спутники планет —космические аппараты, созданные людьми, которые позволяют наблюдать за планетой, около которой они вращаются, а также другими астрономическими объектами из космоса. Движение ИСЗ и КА

Номер слайда 15

Номер слайда 16

Движение ИСЗ и КАИ. Ньютон

Номер слайда 17

Движение ИСЗ и КАИ. Ньютон

Номер слайда 18

Движение ИСЗ и КАИ. Ньютон

Номер слайда 19

Движение ИСЗ и КАИ. Ньютон

Номер слайда 20

Движение ИСЗ и КАСпутник движется как свободно падающее тело с ускорением свободного падения. Искусственным спутником Земли может стать любое тело произвольной массы. 𝐹т 𝑔 𝜐 h 

Номер слайда 21

Движение ИСЗ и КА𝐹т 𝑔 𝜐 h Скорость, при достижении которой космический аппарат, запускаемый с Земли, может стать её искусственным спутником, называется первой космической скоростью. 𝜐I 

Номер слайда 22

Движение ИСЗ и КА𝐹т 𝑔 𝜐 h Скорость, при достижении которой космический аппарат, запускаемый с Земли, может стать её искусственным спутником, называется первой космической скоростью. 𝜐I 

Номер слайда 23

Движение ИСЗ и КА𝜐I 𝐹т 𝑎ц h 𝑦 2-й закон Ньютона:𝐹тяг=𝑚𝑎ц. Закон всемирного тяготения:𝐹тяг=𝐺𝑀З𝑚𝑅З+h3. Центростремительное ускорение:𝑎ц=𝜐I2𝑅З+h. Тогда𝐺𝑀З𝑚𝑅З+h3=𝑚𝜐I2𝑅З+h ⟹𝐺𝑀З𝑅З+h=𝜐I2. 1-я космическая скорость:𝜐I=𝐺𝑀З𝑅З+h. Если h≪𝑅З, то  𝜐I=𝐺𝑀З𝑅З Ускорение свободного падения:𝑔0=𝐺𝑀З𝑅З2. =𝑔0𝑅З. 

Номер слайда 24

Движение ИСЗ и КА𝜐I 𝐹т 𝑎ц h 𝑦 1-я космическая скорость:𝜐I=𝐺𝑀З𝑅З+h.  Если h≪𝑅З, то  𝜐I=𝐺𝑀З𝑅З 2-й закон Ньютона:𝐹тяг=𝑚𝑎ц. Закон всемирного тяготения:𝐹тяг=𝐺𝑀З𝑚𝑅З+h3. Центростремительное ускорение:𝑎ц=𝜐I2𝑅З+h. Тогда𝐺𝑀З𝑚𝑅З+h3=𝑚𝜐I2𝑅З+h ⟹𝐺𝑀З𝑅З+h=𝜐I2. Ускорение свободного падения:𝑔0=𝐺𝑀З𝑅З2. =𝑔0𝑅З. Если h≪𝑅З, то  𝜐I=𝐺𝑀З𝑅З =𝑔0𝑅З. 1-я космическая скорость:𝜐I=𝐺𝑀З𝑅З+h. 𝑅З=6371∙103 м;  𝑔0=9,81мс2 . Вблизи поверхности Земли:𝜐I=6371∙103 м∙9,81мс2 ≅7,9∙103 мс=7,9 кмс. 

Номер слайда 25

Движение ИСЗ и КАПервая космическая скорость:𝜐I=𝐺𝑀З𝑅З+h ≈7,9 кмс. Почему спутник не падает на поверхность планеты?

Номер слайда 26

Движение ИСЗ и КАПусть𝑔0=10 мс2, 𝜐I=8000 мс.  Тогдаh=𝑔0𝑡22=10 мс2∙1 с22=5 м; 𝑠=𝜐I𝑡=8000 мс∙1 с=8000 м. 5 м8000 мr

Номер слайда 27

Номер слайда 28

𝜐I=𝐺𝑀З𝑅З+h =8 кмс=28 800 кмч.  

Номер слайда 29

Спутник-1 —первый искусственный спутник Земли, советский космический аппарат, запущенный на орбиту4 октября 1957 года. С. П. Королёв. Движение ИСЗ и КА

Номер слайда 30

Номер слайда 31

Движение ИСЗ и КАСкорость, при достижении которой космический аппарат, запускаемый с Земли, может преодолеть земное притяжение и осуществить полёт к другим планетам Солнечной системы, называется второй космической скоростью. 𝜐II=2𝑔𝑅 ≅11,2 км/с. =𝜐I2 

Номер слайда 32

Движение ИСЗ и КАТретья космическая скорость —минимальная скорость, которую необходимо придать находящемуся вблизи поверхности Земли телу, чтобы оно могло преодолеть гравитационное притяжение Земли и Солнца и покинуть пределы Солнечной системы.𝜐III≅2−12𝜐2+𝜐II2. КА «Вояджер-1»Послание на КА «Вояджер-1»

Номер слайда 33

Движение ИСЗ и КАТретья космическая скорость:𝜐III≅2−12𝜐2+𝜐II2. 𝜐≅29,8 кмс. Орбитальная скорость Земли:𝜐III≅2−12∙29,82+11,22 ≅16,7 кмс. Третья космическая скорость для Земли:

Номер слайда 34

Движение ИСЗ и КАТретья космическая скорость:𝜐III≅2−12𝜐2+𝜐II2. Первая космическая скорость:𝜐I=𝐺𝑀𝑅+h 𝜐II=2𝑔𝑅=𝜐I2. Вторая космическая скорость:

Номер слайда 35

Задача 1. Определите первую и вторую космические скорости для Луны.𝜐I☾= ? РЕШЕНИЕДАНООТВЕТ: 𝜐I☾ = 1679 м/с; 𝜐II☾ = 2374 м/с. Первая космическая скорость:𝜐I=𝐺𝑀☾𝑅☾. 𝑅☾=1,74∙106 м 𝑀☾=7,35∗1022 кг 𝜐II☾= ? 𝜐I☾=6,67∙10−11 м3кг∙с2∙7,35∙1022 кг 1,74∙106 м  ≅1679 мс. Вторая космическая скорость:𝜐II☾=𝜐I☾2. 𝜐II☾=1679∙2 ≅2374 мс. 

Номер слайда 36

Спутник-1 —первый искусственный спутник Земли, запущенный на орбиту4 октября 1957 года. С. П. Королёв. Движение ИСЗ и КА

Номер слайда 37

Исаак Ньютон1643—1727

Номер слайда 38

Номер слайда 39

Номер слайда 40

Номер слайда 41

Марсоход Curiosity

Номер слайда 42

Траектория полёта на Луну

Номер слайда 43

Движение ИСЗ и КАНеобходимые условия для запуска космического аппарата:1) геоцентрическая скорость КА должна превышать 2-ю космическую скорость;2) гелиоцентрическая орбита аппарата должна пересекаться с орбитой данной планеты;3) орбита КА должна быть наиболее оптимальной с точки зрения сроков полёта, затрат топлива и т. д. КА «Новые горизонты»КА «Розетта» и комета Чурюмова — Герасименко. Марсоход «Спирит»

Номер слайда 44

Движение ИСЗ и КАЭнергетически оптимальные орбиты —орбиты, которые соответствуют наименьшей геоцентрической скорости космических аппаратов в момент достижения границы сферы действия Земли.

Номер слайда 45

Движение ИСЗ и КАЭнергетически оптимальные орбиты—орбиты, которые соответствуют наименьшей геоцентрической скорости космических аппаратов в момент достижения границы сферы действия Земли. Полуэллиптическая (гомановская) орбита

Номер слайда 46

Вальтер Гоман1880—1945 Полуэллиптическая (гомановская) орбита

Номер слайда 47

Задача 2. Определите среднее время полёта на Марс, если его большая полуось равна 1,52 а. е. 𝑡= ? РЕШЕНИЕДАНООТВЕТ: среднее время полёта на Марс составит 259 суток.𝑎♂=1,52 а. е. Большая полуось спутника:𝑎=𝑎⊕+𝑎♂2. 𝑇⨁=1 год 𝑎⨁=1 а. е. Третий закон Кеплера:𝑇2𝑇⊕2=𝑎3𝑎⊕3 ⟹𝑇2=𝑎⊕+𝑎♂23 ⟹𝑇=𝑎⊕+𝑎♂23. Время полёта на Марс:𝑡=𝑇2 =𝑎⊕+𝑎♂4𝑎⊕+𝑎♂2. 𝑡=1+1,5241+1,522 ≅0,71 года ≅259 сут. 𝑡= ? 𝑎♂=1,52 а. е. 

Номер слайда 48

Космический корабль «Союз»

Номер слайда 49

Космический аппарат «Кассини-Гюйгенс»

Номер слайда 50

Первые фотографии поверхности Венеры, сделанные космическим аппаратом «Венера-7»

Номер слайда 51

Домашнее задание1) § 14 (п.6). 2) Сообщение а) животные в космосе; б) общая характеристика межпланетных перелетов 3) Упражнение 12 (с.80)2. Ускорение силы тяжести на Марсе составляет 3,7 м/с2, на Юпитере – 25 м/с2. Рассчитай­те первую космическую скорость для этих планет. 3. Сколько суток (примерно) продолжается полет КА до Марса, если он проходит по эллипсу, большая полуось которого равна 1,25 а. е.?

Искусственные спутники Земли | Презентация к уроку по физике (9 класс):

Слайд 1

Искусственные спутники Земли Выполнила: Юмабаева М. М. учитель физики МОУ «СОШ №38 им. В. И. Машковцева» г. Магнитогорск

Слайд 2

Все спутники делятся на две категории естественные искусственные

Слайд 3

Естественные спутники планет — это космические тела естественного происхождения, которые вращаются вокруг планет. Самым известным нам естественным спутником является Луна .

Слайд 4

Искусственные спутники — это космические аппараты, созданные людьми, которые позволяют наблюдать за планетой, около которой они вращаются, а также другими астрономическими объектами из космоса.

Слайд 5

При каких условиях тело способно стать искусственным спутником Земли? Обратимся к размышлениям Ньютона. Их суть такова: если бросить с высокой горы камень в горизонтальном направлении, то, двигаясь по ветви параболы, он со временем упадёт на Землю.

Слайд 6

Сообщив ему большую скорость, он упадёт дальше. Поскольку Земля имеет шарообразную форму, то одновременно с продвижением камня по его траектории поверхность Земли удаляется от него. Значит можно подобрать такое значение скорости камня, при котором поверхность Земли из-за её кривизны будет удаляться от камня ровно на столько, на сколько камень приближается к Земле под действием силы тяжести. Тогда тело будет двигаться на постоянном расстоянии от поверхности Земли, то есть станет её искусственным спутником.

Слайд 7

Так как за пределами атмосферы силы сопротивления движению спутнику отсутствуют, то на него будет действовать только сила притяжения к Земле. Поэтому спутник движется как свободно падающее тело с ускорением свободного падения.

Слайд 8

Искусственным спутником Земли может стать любое тело произвольной массы. Важно, чтобы ему сообщили за пределами земной атмосферы горизонтальную скорость, при которой оно начнёт двигаться по окружности вокруг Земли. Скорость, при достижении которой космический аппарат, запускаемый с Земли, может стать её искусственным спутником, называется первой космической скоростью.

Слайд 9

Давайте подсчитаем значение первой космической скорости.

Слайд 10

По этой же формуле мы можем рассчитать и первую космическую скорость спутника для любой планеты, заменив в ней радиус и массу Земли, на радиус и массу данной планеты. Если можно пренебречь высотой в сравнении с радиусом Земли, то первая космическая скорость может быть рассчитана по формуле:

Слайд 11

Приняв радиус земли равным 6400 километрам, а ускорение свободного падения — 9,8 м/с 2 , получим, что для Земли первая космическая скорость равна: Именно такую скорость в горизонтальном направлении нужно сообщить телу на небольшой, сравнительно с радиусом Земли, высоте, чтобы оно не упало на Землю, а стало её спутником, движущимся по круговой орбите.

Слайд 12

Почему же тогда свободно падающий спутник не падает на Землю? Примем для простоты расчётов, что ускорение свободного падения равно 10 м/с 2 , а скорость спутника — 8 км/с. Тогда за одну секунду свободного падения спутник пройдёт по направлению к Земле 5 метров и одновременно с этим переместиться перпендикулярно этому направлению на 8 километров. В результате этих двух движений спутник и движется по своей орбите. Так, например, наша Луна уже более 4,5 миллиардов лет вращается вокруг Земли.

Слайд 13

8 км/с — это почти 29 000 км/ч! Сообщить телу такую скорость, конечно, не просто. Только 1957 году советским учёным впервые в истории человечества удалось с помощью мощной ракеты сообщить телу массой около 85 килограмм первую космическую скорость, и оно стало первым искусственным спутником Земли.

Слайд 15

А уже в 1961 году 12 апреля Юрий Алексеевич Гагарин совершил полёт в космос на корабле «Восток», став первым человеком на планете, побывавшем в космосе.

Слайд 16

Сейчас в околоземном пространстве движутся многие тысячи искусственных спутников Земли, запущенных учёными разных стран. Но старт в космос человечеству был дан с территории нашей страны советскими учёными.

Слайд 17

А что произойдёт, если телу сообщить скорость, большую, чем первая космическая на данной высоте? В этом случае орбита спутника будет представлять собой эллипс. И чем больше сообщённая телу скорость, тем более вытянутой будет его орбита. Скорость, при достижении которой космический аппарат, запускаемый с Земли, может преодолеть земное притяжение и осуществить полёт к другим планетам Солнечной системы, называется второй космической скоростью. Для Земли она примерно равна 11,2 км/с.

4 интересных задачи на закон всемирного тяготения (с решением и ответами)

Прошло уже более 300 лет с того времени, как Исаак Ньютон сформулировал этот фундаментальный закон природы. И все эти годы учащиеся разных стран постигали его глубину, упражняясь в решении задач. Предлагаем вашему вниманию 4 примера задач на закон всемирного тяготения.

Задача 1. Расчет расстояния между телами

В разных концах городской площади стоят 2 памятника из гранита. Известно, что масса каждого из них равна 20 тоннам. Также известна сила, с которой они притягиваются друг к другу F = 6,67 •10-5 Н. Найдите расстояние между памятниками.

Решение:

Перед нами классическая задача на применение закона тяготения:

  1. Даны 2 материальных тела. 
  2. Известна сила, с которой они притягиваются друг к другу. 
  3. Также известны массы этих тел.

Запишем формулу для вычисления силы:

 

Преобразуем эту формулу, чтобы найти расстояние между телами:

 

Подставим числовые значения и получим результат:

 

Ответ: 20 метров.

Задача 2. Расчет величины ускорения свободного падения на Юпитере

Нужно рассчитать, каково будет ускорение свободного падения на планете Юпитер, если:

  1. Масса Юпитера равна 1,9 •1027 кг.
  2. Радиус Юпитера равен 6,9 •107 м.

Решение:

Величина ускорения свободного падения зависит от массы и радиуса планеты, на которой идут измерения. Если тело поднимается над поверхностью, то величина ускорения свободного падения уменьшается. Для каждой планеты она будет различной.

Заметим, что подобную задачу можно решить применительно к любой планете Солнечной системы, если известны ее масса и радиус.

Формула закона всемирного тяготения приведена в первой задаче. С другой стороны, силу тяготения, действующую на какое-либо тело на выбранной планете, мы можем найти благодаря второму закону Ньютона:

 

Запишем данный факт в виде:

 

Сократим в левой и правой части m2 и получим:

 

Так выглядит формула для расчета ускорения свободного падения на рассматриваемой планете.

Подставим числовые значения и получим результат:

 

Ответ: 24,79  м/с2.

Задача 3. Первая космическая скорость для Марса

Нужно найти первую космическую скорость для Марса, если:

  1. Масса Марса равна 6,4 •1023 кг.
  2. Радиус Марса равен 3,4 •106 м.

Решение:

Различают 2 типа скорости ракеты, стартующих с поверхности планеты. Обе величины для каждого космического объекта имеют свое значение. 

Если тело будет подниматься над поверхностью планеты и достигнет при этом первой космической скорости, то оно будет испытывать силу притяжения этой планеты, двигаться по орбите вокруг нее и не сможет улететь с этой орбиты, но и не упадет обратно на её поверхность. Такое тело становится спутником планеты. Чтобы тело смогло преодолеть силу притяжения планеты и улететь в межзвездное пространство, ему необходимо набрать более высокую скорость, называемую второй космической скоростью. Для планеты Земля значение первой космической скорости равно 7,91 км/с, а значение второй — 11,2 м/с.

Найдем значение первой космической скорости для Марса по формуле:

 

Подставим числовые значения и получим результат: 

 

Ответ: 3,6 м/с.

Задача 4. Изменение ускорения свободного падения (УСП) в зависимости от высоты над поверхностью

Самолет поднимается на 6 км. На сколько изменится при этом величина УСП для тел, находящихся в самолете? Радиус Земли равен 6,371 •103 м, а УСП на уровне поверхности принять равным 9,81 м/с2.

Решение:

Как известно, УСП уменьшается по мере подъема над поверхностью планеты. И постепенно становится неизмеримо малым. Вычислить УСП на разных высотах поможет формула закона всемирного тяготения. Запишем эту формулу для двух случаев. 

Первый случай — на уровне поверхности планеты с учетом второго закона Ньютона:

 

Второй случай — над поверхностью планеты на высоте «h»:

 

Где g1 — ускорение свободного падения над поверхностью планеты на высоте «h», м/с2.

Отсюда мы можем записать отношение:

 

Подставим числовые значения и получим результат:

 

То есть, величина УСП на высоте 6 км будет в 1,002 раза меньше, чем над поверхностью.

Тогда величина ускорения свободного падения на высоте 6 км будет равна:

 

Найдем разность ускорений свободного падения на разных высотах:

g0 – g1 = 9,81 – 9,79 = 0,02 м/с2.

Ответ: на высоте 6 км величина ускорения свободного падения уменьшится на 0,02 м/с2.

Наш разбор типовых задач на закон всемирного тяготения подошел к концу. Если ваше задание не подходит ни под один из примеров, рекомендуем обратиться к специалистам ФениксХелп: они найдут решение и с радостью помогут справиться с любой учебной работой.

Космические скорости

Чтобы внести ясность в то, какие необходимы условия для того, чтобы тело стало искусственным спутником Земли, предложен рисунок 1. Это копия ньютоновского чертежа. Изображение земного шара дополнено высокой горой, с вершины которой производят бросание камней, придавая им различные по модулю и горизонтально направленные скорости. Действие силы тяжести способствует отклонению движущихся камней от прямолинейного пути. После описания кривой траектории он падает на Землю.

Рисунок 1

Если прилагать больше сил при бросании, то он упадет дальше. Отсюда следует, что при отсутствии сопротивления воздуха и при наличии большой скорости тело может даже не приземляться на поверхность. Это говорит о его дальнейшем описывании круговых траекторий, не изменяя высоты относительно земной поверхности.

Первая космическая скорость

Чтобы движение вокруг Земли проходило по круговой орбите с радиусом, схожим с земным Rз, тело должно обладать определенной скоростью υ1, которую можно определить из условия равенства произведения массы тела на ускорение силы тяжести, действующей на тело.

Определение 1

Для того, чтобы какое-либо тело могло стать спутником Земли, ему должна быть сообщена скорость υ1, называемая первой космической. При подстановке значений g и Rз в формулу, получаем, что

υ1=gRз=8 км/с.

Вторая космическая скорость

Определение 2

Если тело обладает скоростью υ1, то впоследствии при движении не упадет. Но значения
υ1 недостаточно для выхода из сферы земного притяжения, то есть удалиться от Земли на расстояние, при котором оно теряет свою силу. Для этого нужна скорость υx, которая получила название второй космической или скорость убегания.

Для ее нахождения следует произвести вычисление работы, потраченную против сил земного притяжения для соударения с поверхности Земли на бесконечность. При удалении такого тела получаем:

mυ222-GmMR=0,R=h+r

где m – масса брошенного тела, М – масса планеты, r – радиус планеты, h – длина от основания до его центра масс, G – гравитационная постоянная, υ2 - вторая космическая скорость.

Решив уравнение относительно υ2, получим:

υ2=2GMR.

Существует связь между первой и второй скоростями

υ2=2υ1.

Квадрат скорости убегания равняется ньютоновскому потенциалу в заданной точке, то есть:

υ22=-2Φ=2GMR.

Скорость υ2 считается за вторую космическую. Из сравнений видно, что она в 2 раза больше первой. Если умножить 8 км/с на 2, то получим значение для υ2, приблизительно равняющееся 11 км/с.

Замечание 1

Нужная величина скорости не зависит от направления движения тела. На это влияет вид траектории, по которой происходит удаление от земной поверхности.

Чтобы тело смогло стартовать с поверхности планеты, оно должно обладать второй космической скоростью при малом значении h и большом значении гравитационной силы. Как только ракета начнет удаляться от Земли, гравитационная постоянная будет уменьшаться  вместе со значением, необходимым для убегания кинетической энергии.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Третья космическая скорость

Определение 3

Для выхода за пределы Солнечной системы телу следует преодолеть как силу притяжения к Земле, так и к Солнцу. Для этого применяется третья космическая скорость υ3, позволяющая запускать тело с земной поверхности.

Значение υ3 зависит от направления. Если запуск производится в направлении орбитального движения Земли, тогда ее значение минимально и составит около 17 км/с. Когда тело запущено противоположно направлению движения Земли, тогда значение скорости υ3≈73.

Замечание 2

Еще в СССР были достигнуты космические скорости.

  • Первый запуск искусственного спутника был осуществлен 4 октября 1957 года.
  • Уже 2 января 1959 ученым удалось найти решения для  преодоления сферы земного притяжения. Поэтому запущенная ракета стала первой космической планетой Солнечной системы.
  • Дата 12 апреля 1961 года известна, так как был осуществлен полет человека в космическое пространство. Юрий Алексеевич Гагарин был первым советским космонавтом, совершившим один оборот вокруг Земли, после чего благополучно приземлился.
Пример 1

Определить первую космическую скорость для спутника Юпитера, летающего на небольшой высоте, если дана масса планеты, равная 1,9·1027 кг, а ее радиус R=7,13·107 м.

Дано:

B=1,9·1027 кг,

R=7,13·107 м.

Найти: υ1 - ?

Решение

Для начала запишем формулу для нахождения первой космической скорости: υ1=gR3 (1).

Значение g принимает ускорение свободного падения на Юпитере.

Из закона всемирного тяготения получаем, что mg=GMmr2 (2).

Значение m определено как масса спутника, а М – масса самой планеты.

Если высота спутника над поверхностью Юпитера сравнительно мала относительно его радиуса, тогда ею разрешено пренебречь: r=R.

Получаем, что из уравнения (2) найдем ускорение свободного падения для планеты из

g=GMR2.

После подстановки в уравнение (1), сможем найти первую космическую скорость.

υ1=GMR=42159,45 м/с.

Ответ: υ1=42159,45 м/с.

Решите задачи:1) Вычислить первую космическую скорость на высоте 500 км над поверхностью

Помогите, пожалуйста, с физикой. 10б

Плоский повітряний конденсатор, площа перекриття пластин якого 200 см2, а відстань між пла- стинами 2 мм, приєднано до джерела постійної напруги 100 В … . Визначте заряд конденсатора.

При помощи какого инструмента выполняется скручивание проводов?1. Плоскогубцы2. Кусачки боковые3. Нож4. Щипцы5. Пассатижи

Три электрических лампы, каждая сопротивление 20 ом, включены последовательно и подключены к сети под напряжением 120 в. Величина тока в цепи? 1 А 2 А … 3 А 4 А

ребята помогите пожалуйста 3.Что образуется при ᾳ распаде углерода ?4. Что образуется при  ᵝ распаде углерода?5. Что образуется при 3 ᾳ  и 4ᵝ распадах … углерода?​

Помогите, пожалуйста, с физикой. 25 б

в сосуд с водой помещён куб со стороной 5см. расстояние от верхней грани куба до поверхности воды тоже 5см. с какой силой действует вода на верхнюю ча … сть куба и с какой на нижнюю? найдите действующую на куб силу архимеда.

Вентилятрр обертається з постійною швидкістю і за 2 хв робить 2400 обертів. Визначити частоту обертання, період та лінійну швидкість точки розміщеної … на краю лопасті вентилятора на відстанні 10 см від осі обертання

1. Найдите среднюю квадратичную скорость молекулы Ne при температуре 27°С. Молярная масса неона 0,02 кг/моль. Универсальную газовую постоянную считать … равной 8,31 Дж/(моль*К)2. Найдите концентрацию молекулярного хлора в помещении объемом 60 куб. м, в котором испарилось 10 г хлора. M(Cl₂)=0,071 кг/моль. Постоянную Авогадро считать равной 6*10²³ моль-1.3. При уменьшении объема газа в 1,5 раза, давление увеличилось на 30 кПа, абсолютная температура возросла на 20%. Каково первоначальное давление газа?4. Плоскость контура, ограничивающего площадь 50 см², расположена под углом 60 градусов к направлению магнитных линий. Найдите магнитный поток через контур, если индукция магнитного поля 0,5 Тл.5. Период полураспада некоторого вещества массой 360 г составляет 9 минут. Чему будет равна масса (в граммах) этого вещества через 72 минуты?6. Предмет расположен на главной оптической оси тонкой собирающей линзы. Оптическая сила линзы D = 10 дптр. Изображение предмета действительное, увеличение Г = 3. Найдите расстояние между предметом и его изображением. 7. Свеча находится на расстоянии 14 см от собирающей линзы, оптическая сила которой 10 дптр. На каком расстоянии от линзы получится изображение и каким оно будет?8. Найти период и частоту колебаний в контуре, состоящем из конденсатора емкостью 400пФ (пикофарад) и катушки индуктивностью 4мкГн.10. Через неподвижный блок переброшена тонкая нерастяжимая нить, на концах которой закреплены грузы массой 2 кг и 6 кг. Найдите силу натяжения нити в процессе движения грузов. Трением пренебречь.11. Плечи рычага равны 2 м и 5 м. К первому плечу приложена сила 10Н, направленная вертикально вниз. Ко второму плечу приложена сила 6Н направленная вниз под углом 30 градусов к горизонту. На каком расстоянии от оси рычага нужно подвесить груз массой 250г, чтобы рычаг пришел в равновесие?12. Два шара массами 2 кг и 5 кг движутся по гладкой поверхности навстречу друг другу со скоростями 5 м/с и 3 м/с соответственно. Найдите скорость шаров после абсолютно неупругого удара.13. При коротком замыкании клемм источника тока сила тока в цепи равна 12 А. При подключении к клеммам электрической лампы электрическим сопротивлением 5 Ом сила тока в цепи равна 2 А. По результатам этих экспериментов определите ЭДС источника тока.14. Найдите x₀, y₀, r₀, v₀x, v₀y, v₀, aₓ, ay, a, vₓ(t), vy(t), v(4) по закону движения тела: x=5–4t+t²y=–2+3t–2t²15. Найдите закон движения x(t), закон изменения скорости vₓ(t) и проекцию скорости через 3 секунды после начала движения vₓ(3), если x₀=50м, v₀=–5м/с, a=6м/с2, V₀↑↓Ox, a↑↑Ox.16. Тело брошено горизонтально с высоты 200м над поверхностью земли с начальной скоростью 15м/с. Найдите закон движения тела (в координатном виде), закон изменения проекций скорости и полное время полета тела.100 баллов за эту работу

1. Какие брусья следует рассчитывать на устойчивость? 2. Напишите формулу Эйлера для расчета критической силы и назовите входящие величины и их единиц … ы измерения.

Кандидаты в сборную по физике-2020 прошли первые квалификационные сборы

В Сириусе завершились первые квалификационные сборы для школьников, которые претендуют на участие в Международной физической олимпиаде (МФО) в следующем году. Процесс подготовки и отбора школьников длится год и стартует в июне. Как формируется первый состав кандидатов, зачем решать олимпиады 1985 года и что проверяют псевдоэкспериментальные задачи, рассказал заместитель руководителя сборной Виталий Шевченко.

Войти в топ-30

Каждый год в апреле проходит заключительный этап Всероссийской олимпиады школьников по физике. Именно по ее результатам тренерский штаб отбирает десятиклассников, показавших лучшие результаты. Например, в этом году в заключительном этапе участвовали более ста десятиклассников, 54 из них стали победителями и призерами. Лучшие 32 школьника, набравшие наибольшие баллы, стали кандидатами в сборную на МФО-2020.

«По регламенту мы можем взять около 25 человек, но в последние годы стараемся увеличить это число. Среди тех, кто показал результат ниже, может оказаться школьник с более высокой мотивацией, которая поможет ему себя проявить. На сборы могут попасть и 9-классники, но для этого им нужно выступить на Всероссийской олимпиаде за 10 класс и попасть в первую тридцатку», – рассказывает Виталий Шевченко.

Итак, у нас есть кандидаты. Вся дальнейшая работа укладывается всего в две очевидные цели: их нужно учить и отбирать. Происходит это в основном на двух видах сборов:

1) Учебно-тренировочные сборы, где школьники изучают новые материал.

Проходят в июне, ноябре и марте. Как правило, такие сборы проводят в МФТИ с использованием университетского оборудования, на котором изучается университетский курс механики, сложная термодинамика и электромагнетизм, а также волновая оптика. Например, если сборы осенью, а у студентов в это время лабораторные по механике, то кандидатам в сборную тренеры дают работы по термодинамике, ведь это оборудование сейчас свободно.

Только мартовские учебно-тренировочные сборы проходят в Сириусе. На этом этапе уже не используются университетские практикумы, а тренеры могут перевезти необходимое оборудование для работы. Кстати, к этому времени уже остается 8 кандидатов. Но об этом позже.

2) После изучения нового материала его необходимо отработать и научиться применять в решении задач, поэтому после учебно-тренировочных сборов проходят квалификационные, то есть отборочные. Организуют их, как правило, в Сириусе.

Между учебно-тренировочными и квалификационными сборами проходит около 2 месяцев. За это время школьники решают домашнее задание и готовятся к отбору. Например, в июне 32 кандидата прошли 2 недели высокоинтенсивных занятий в МФТИ по темам, которые будут проходиться в начале 11 класса, после этого у них было 2 месяца на решение домашних заданий, а сейчас, в августе, преподаватели проверяли, как школьники этим материалом владеют.

Сборы в августе: как это было

Августовские квалификационные сборы длились 1,5 недели. За это время школьники прошли 5 туров тренировочных олимпиад (1 день – 1 тур), а затем разобрали результаты. Это первый этап отбора, в котором эксперты оценивали способности к обучению и находчивость, умение не испугаться сложной задачи.

«Обозначить темы, которыми школьники должны владеть на этом этапе, можно только в общем. Например, задачи по механике, термодинамике. На этих сборах им предстояло решить задачу про физику бильярда – как ударить шар, чтобы он катился определенным образом. Мы попросили их просчитать это аналитически, для них это было чем-то новым. Также была задача про физику полета, где им нужно было разобраться, как создается подъемная сила, сколько самолет может находиться в воздухе при определенных условиях. Такие задачи не обсуждаются в школьном курсе. К этому можно подготовиться на уровне фундаментального понимания физики, нужно уметь в течение ограниченного времени разобраться в задаче, понять модель, по которой можно найти решение, ответить конкретно на поставленные вопросы. Не так давно мы стали практиковать псевдоэкспериментальные задачи, которые проверяют способность школьников быстро и безошибочно обрабатывать данные. Темы задач могут быть самые разные, главное, что есть расчетная формула, по которой нужно пересчитать числа и определить параметры зависимости. Задача может быть хоть по квантовой физике. Скорость и правильность обработки большого количества данных на международной олимпиаде очень важна», – объясняет вице-руководитель сборной.

Первый квалификационный тур на этих сборах состоял из задач международных олимпиад прошлых лет. По словам эксперта, примерно до 1985 года задачи МФО были очень похожи на задачи Всероссийских олимпиад.

«Мы даем кандидатам прорешать сборник таких задач к сборам. После этого 5 задач из него даем в первом туре на очень маленькое время – всего 2,5-3 часа. Все это оправдано, базовые идеи в основе задач известны, поэтому, чтобы успешно выступить на международной олимпиаде, нужно просто решить как можно больше задач с предыдущих межнаров. То же самое со Всероссийскими олимпиадами. Если школьники этого не делают, то они, как правило, выступают хуже», – отмечает Виталий Шевченко.

После проверки домашнего задания школьники написали два теоретических тура. Каждый из них полностью имитирует теоретический тур МФО: 5 часов, 3 большие задачи. Два финальных тура – экспериментальные, в которых, например, школьники работали с жидким азотом, исследовали сталь, вольфрам при низких температурах, определяли параметры колеблющейся системы, исследовали линзы, которые носят люди с астигматизмом.

«Так как школьников относительно немного, каждую работу проверяли независимо 2 человека. Результаты проверки сверялись. Если были какие-то расхождения, то проверяющие приходили к консенсусу. Потом школьник приходил к одному из преподавателей, и они вдвоем обсуждали решение. У нас было 9 проверяющих. Все они в прошлом призеры различных международных соревнований», – говорит Виталий Шевченко.

По итогу работы сформирован рейтинг, первые 16 человек в котором прошли на следующий этап.

Что дальше

Следующей тренировкой для юных физиков станут две олимпиады – по экспериментальной физике, организованная Фондом «Образование и наука» совместно с Центром педагогического мастерства города Москвы, и олимпиада Мегаполисов, в которой участвуют команды из крупнейших городов мира, в том числе из Москвы и Санкт-Петербурга.

«Мы будем выступать вне конкурса на олимпиаде Мегаполисов. Оргкомитет разрешил нам после всех туров прийти и на том же оборудовании просто выполнить всю работу. Результаты обеих олимпиад не будут учитываться в нашем рейтинге, это тренировка. За годы работы можно увидеть стилистику задач тренерского штаба сборной, можно предугадать, какую задачу мы можем дать, а на международных олимпиадах стилистику угадать невозможно. Вот, пожалуйста, неизвестный стиль, решайте», – говорит заместитель руководителя сборной России по физике.

Работа будет идти и удаленно. Школьникам предстоит дома решать задачи, сканировать листочки с решениями и отправлять преподавателям на проверку. Так будет происходить до ноября – до следующих учебно-тренировочных сборов в МФТИ, где школьники будут изучать волновую оптику.

Зимой кандидаты и тренеры вернутся в Сириус на второй квалификационный тур. После него дальше пройдут 8 человек, которые в мае представят Россию на Азиатской олимпиаде по физике в Тайване. По ее итогам сформируется пятерка, которая поедет на Международную физическую олимпиаду 18-26 июля в Литву.

планов уроков по ракетной технике | НАСА

Ракеты по размеру (классы Pre-K-2)
Специалист НАСА по образованию Ота Лутц описывает план урока для маленьких детей.

Ракеты по размеру План урока (классы Pre-K-2)
Юные ученики упорядочивают объекты по высоте.

3 ... 2 ... 1 ... Руководство для преподавателя по старту (классы Pre-K-2)
Эти мероприятия посвящены Международной космической станции и роли, которую ракеты играют в ее строительстве.

Space Place - Bubble Rocket (классы K-5)
В этом упражнении учащиеся строят свои собственные ракеты из бумаги и шипучих таблеток.


Руководство для преподавателя по ракетам (классы K-12)
Это руководство содержит новые и обновленные уроки и упражнения для обучения практическим наукам и математике с практическими применениями.

Руководство для преподавателя «Приключения в ракетостроении» (классы K-12 и неформальный)
Изучите концепции физических наук и законы движения вместе с участниками, пока они проектируют, строят и запускают различные ракеты.

Упражнение «Ускорение работы» (3-5 классы)
На этом занятии моделируется, как различные топливные системы влияют на скорость или скорость ракеты путем измерения высоты, на которую ракета запускается.

Запустите! Задание (3–8 классы и неформальное обучение)
Спроектируйте ракету с воздушным двигателем, способную поразить удаленную цель.

«Мужество, чтобы взлететь». Руководство для высших учебных заведений (4–6 классы)
Студенты строят и испытывают самолеты и ракеты и создают марсианскую колонию, узнавая о достижениях и планах НАСА на будущее.

Как построить и запустить ракету из пеноматериала (классы 4–12)
Загрузите это руководство и посмотрите видеоинструкцию для учащихся о проектировании и запуске ракет с резиновой лентой.

Задачи инженерного проектирования - Руководство для преподавателя по конструкциям космических кораблей (6–9 классы)
Учащиеся используют навыки естественных наук, математики и критического мышления для проектирования, создания и испытания модели тяги для космического корабля.

Проблемы инженерного проектирования - Руководство для преподавателя систем тепловой защиты (6–9 классы)
Учащиеся проектируют, конструируют и испытывают систему, которая защитит их моделируемую ракету от тепла.

Kennedy Launch Academy Simulation System (KLASS) Учебный план (6-10 классы)
Программа KLASS - это более 40 часов планов уроков STEM (естественные науки, технологии, инженерия и математика), система оценивания и программное обеспечение для установки запустить и запустить сетевой симулятор космического челнока.

Space Place for Cub Scouts (1–5 классы)

- Получите значок Webelos для технологической группы: ученый.
Постройте ракету с воздушным пузырем и опишите третий закон движения Ньютона.
http://spaceplace.nasa.gov/en/kids/rocket.shtml

- Академия: заработайте значок "Академик" за общение.
Прочтите, как играть в "Поехали на Марс!" и объясните члену семьи или другу
, как в нее играть.
http://spaceplace.nasa.gov/en/kids/mars_rocket.shtml

Классные занятия и ресурсы | Обсерватория Макдональда

Эти увлекательные занятия, согласованные с TEKS / TAKS, дают учащимся K-12 возможность изучать астрономию, физику и химию в классе.

Игра теней | 183K pdf
Предметы: Наша солнечная система
Уровни успеваемости: K-5

У всего есть тень! Тени показывают, как трехмерные объекты можно рассматривать в двух измерениях. Младшие ученики узнают об относительном движении Солнца в небе, экспериментируя с тенями.

Моделирование ночного неба | 387K pdf
Предметы: Наша Солнечная система, наблюдения за небом
Уровни успеваемости: K-5

Студенты исследуют положение Земли и Солнца по отношению к созвездиям эклиптики с помощью небольшой модели. Они исследуют движения Земли и внутренних планет в модели большего размера, размером с классную комнату. Очень интерактивное и веселое занятие.

Наблюдение за Луной | 276K pdf
Предметы: Наша Солнечная система, наблюдения за небом
Уровни успеваемости: K-5

Луна всегда выглядит одинаково? Поверхность выглядит по-разному в разное время? Учащиеся изучают эти вопросы, делая рисунки луны в разное время.

Масштаб расстояний в Солнечной системе | 104K pdf
Предметы: Наша солнечная система
Уровни успеваемости: K-5

Используя длинную тонкую полоску бумаги, ученики сначала пытаются угадать относительные расстояния между Солнцем, элементами солнечной системы и Плутоном. После этого учитель предлагает им сложить бумагу в особой последовательности, чтобы найти правильный интервал.

Демонстрационная модель масштабной модели солнечной системы | 84K pdf
Предметы: Наша солнечная система
Уровни успеваемости: K-5

Справочный лист, содержащий информацию о том, как создать демонстрацию с использованием баскетбольного, волейбольного, софтбольного мяча, шариков и других объектов, чтобы продемонстрировать относительные размеры планет в нашей солнечной системе.

Видеть невидимое: пыль во Вселенной
Предметы: Инструменты астронома, электромагнитное излучение
Уровни успеваемости: K-5, 6-8, 9-12

Пыль окружает нас повсюду: дома, на Земле и в космосе. Изучите свойства пыли и астрономические исследования пыли в космосе с помощью этих трех подходов к исследованиям, основанных на обсерватории Макдональда.

Planet Tours
Предметы: Наша Солнечная система
Уровни успеваемости: 6-8

В этом творческом задании студенты узнают об объекте в нашей солнечной системе и создают туристическую брошюру или рекламу, чтобы привлечь будущих космических туристов к их экзотическим направлениям.Занимает студентов как фактами, так и воображением.

Наука о солнечной системе | 95K pdf
Предметы: Наша солнечная система
Уровни обучения: 6-8

Студенты исследуют и сравнивают планеты в нашей солнечной системе. Каждый студент становится «послом» планеты и готовится, исследуя свою планету, а затем встречается с другими послами, чтобы сформировать новые мини-солнечные системы.

Rock Cycle
Предметы: Наша Солнечная система
Уровни успеваемости: 6-8

Узнав о цикле горных пород на Земле и основных характеристиках объектов Солнечной системы, студенты могут подумать, как распространить эту концепцию на другие миры за пределами Земли.

Экваториальные солнечные часы | 156K pdf
Предметы: Наблюдение за небом
Уровни успеваемости: 6-8

Один из первых астрономических инструментов для измерения течения времени. Солнечные часы - это просто палка, отбрасывающая тень на лицо, отмеченное единицами времени. Есть много типов солнечных часов; Экваториальные солнечные часы легко сделать, и они учит фундаментальным астрономическим понятиям.

Масштабные модели | 111K pdf
Предметы: Наша солнечная система
Уровни успеваемости: 6-8

Каковы относительные размеры и расстояния до объектов в солнечной системе? Студенты создают два «загадочных объекта» из пластилина, чтобы узнать о масштабных моделях.

Светоотражающая солнечная плита
Субъекты: Наша солнечная система, электромагнитное излучение
Уровни степени: 6-8

Студенты строят отражающую солнечную плиту, которая использует энергию Солнца для приготовления зефира. Это мероприятие требует присмотра взрослых.

Telescope Technology
Предметы: Инструменты астронома
Уровни обучения: 6-8, 9-12

Конструкции больших телескопов значительно изменились за последние несколько десятилетий, и все большее внимание уделяется использованию сегментированных зеркал.Эта серия упражнений состоит из 4 задач, которые студенты выполняют, чтобы узнать, как и почему астрономы проектируют и используют сегментированные зеркальные телескопы.

Солнечные пятна
Объекты: Наша Солнечная система
Уровни успеваемости: 6-8, 9-12

Солнечные пятна - одни из самых примечательных особенностей Солнца. Используйте телескоп, чтобы отслеживать изменения положения и формы солнечных пятен с течением времени. Это мероприятие требует присмотра взрослых.

Анатомия солнечных пятен | 538K pdf
Предметы: Наша солнечная система
Уровни успеваемости: 6-8, 9-12

Солнечные пятна - это гораздо больше, чем просто крошечные темные пятна на Солнце.В этом упражнении рассматриваются характеристики солнечных пятен и используются концепции масштаба, чтобы научить студентов понимать размер этих динамических магнитных событий.

Изучение черных дыр
Предметы: Галактики и космология, звезды
Уровни успеваемости: 9-12

Что такое черная дыра? Как их находят астрономы? Что за горизонт событий? Предложите своим ученикам поискать ответы на эти вопросы в упражнениях с энциклопедией Black Hole Encyclopedia.

Создайте свою собственную галактику
Предметы: Галактики и космология
Уровни успеваемости: 9-12

Что такое спиральная галактика? Как устроены его компоненты? Звезды сталкиваются? Сталкиваются ли галактики? Помогите своим ученикам изучить эти концепции с помощью этого практического задания по галактике, в котором используются простые вычисления.

Путешествие в спектроскопию
Предметы: Инструменты астронома
Уровни обучения: 9-12

Спектроскоп - это инструмент для наблюдения, который выявляет цветовые компоненты источника света.Студенты построят свой собственный спектроскоп, исследуя и наблюдая спектры знакомых источников света. Дополнительные мероприятия расширяют их понимание различных видов спектров и оттачивают навыки наблюдения.

Цвет звезд
Предметы: Звезды
Уровни успеваемости: 9-12

Учащиеся наблюдают за цветами в пламени горящей свечи, чтобы исследовать связи между материей, светом, цветом и температурой - основные понятия материи и энергии.Они развивают эти основные концепции в новом контексте астрономии и звезд. Вторая половина упражнения исследует цвета и относительные размеры звезд.

Супер желатин
Предметы: Инструменты астронома
Уровни оценки: 9-12

Может ли желатин (например, Jell-O) изменять скорость света? Студенты исследуют преломляющие свойства желатина, чтобы вычислить его показатель преломления, и обнаруживают, что по мере прохождения света через желатин его скорость и длина волны также меняются.Это задание предлагает студентам задачу найти показатель преломления повседневного, интригующего, полупрозрачного вещества за пределами стандартного списка материалов и показателей преломления.

Astro-Madness
Предметы: Инструменты астронома
Уровни успеваемости: 9-12

В этом упражнении учащиеся узнают о различных телескопах и инструментах, имеющихся в обсерватории Макдональда. Они используют эту информацию, чтобы помочь группе ученых решить, какие ресурсы обсерватории Макдональд лучше всего подходят для их проектов.Каждая «проблемная ситуация» требует критического мышления. Мы рекомендуем следить за этой деятельностью с TAC.

Комитет по распределению телескопов
Субъекты: Инструменты астронома
Уровни обучения: 9-12

Это задание знакомит студентов с телескопами и инструментами, имеющимися в астрономической обсерватории: обсерватории Макдональда. Студенты являются членами комитета по распределению телескопов (TAC) для рассмотрения (иногда забавных) исследовательских предложений от воображаемых астрономов, а затем пишут астрономам письма о принятии / отказе.

Дельта, Дельта, Дельта
Предметы: Инструменты астронома
Уровни успеваемости: 9-12

В этом эксперименте ученики строят равносторонний треугольник, используя миллиметровку, карандаш, транспортир и линейку. Они также делают «лазерный треугольник», используя лазерную указку и передние посеребренные зеркала. Учащиеся могут использовать геометрические свойства равностороннего треугольника в сочетании с их пониманием Закона Отражения, чтобы решить, как разместить зеркала в каждой вершине, чтобы «лазерный треугольник» соответствовал их равностороннему треугольнику.

Горячий воздух
Предметы: Инструменты астронома
Уровни обучения: 9-12

Студенты каждый день видят свет, преломляющийся в воздухе. В жаркие дни от земли или проезжей части поднимается «рябь». В ночном небе мерцают звезды. Солнце на восходе и закате выглядит раздавленным на горизонте. Студенты могут исследовать взаимодействие между воздухом и светом с помощью этого упражнения «Горячий воздух», чтобы понять более сложные повседневные явления.

Зеркало, Зеркало
Предметы: Инструменты астронома
Уровни успеваемости: 9-12

В этом упражнении студенты проверяют Закон Отражения на основе экспериментальных данных. Однако посеребренные стеклянные зеркала представляют собой изюминку. Когда свет проходит из воздуха в стекло, он меняет направление (преломляется), отражается от блестящего металлического заднего покрытия, а затем снова меняет направление, выходя из стекла. Отраженный луч может не совпадать с ожиданиями студентов и предлагает им задачу выяснить, что произошло, когда свет попал в зеркало и вышел из него.

Млечный Путь
Предметы: Наблюдения за небом, галактиками и космологией
Уровни успеваемости: 9-12

На темном ночном небе протянулась слабая светящаяся полоса неправильной формы, которую трудно увидеть, когда в небе находится Луна. Тысячи лет люди разных культур пытались объяснить увиденное, иногда используя сказки. В этом упражнении студенты создают свои собственные истории о нашей галактике, Млечном Пути.

Звезды и галактики | 107K pdf
Предметы: Галактики и космология, звезды
Уровни обучения: 9-12

Галактики содержат миллиарды звезд. Учащиеся применяют концепции масштаба, чтобы понять расстояния между звездами и галактиками, чтобы исследовать вопросы: сталкиваются ли галактики? Если да, то сталкиваются ли звезды внутри них?

Кома Скопление галактик
Объекты: Галактики и космология
Уровни успеваемости: 9-12

Студенты изучают основы классификации и группирования галактик, затем используют изображения космического телескопа Хаббл, чтобы обнаружить «эффект морфологии-плотности» и сделать гипотезы о его причинах.

Эллиптические орбиты | 228K pdf
Предметы: Наша солнечная система
Уровни успеваемости: 9-12

На протяжении тысячелетий астрономы пытались моделировать движение объектов в небе, используя круги или комбинации круговоротов. Затем в 1609 году Иоганн Кеплер доказал, что орбиты планет на самом деле имеют форму эллипсов. Научитесь рисовать эллипсы и вычислять их основные свойства, используя три закона Кеплера.

Многоволновая астрономия
Темы: Электромагнитное излучение, галактики и космология
Уровни успеваемости: 9-12

Студенты изучают основные понятия об электромагнитном спектре, а затем выполняют задания о создании изображений в ложных цветах, законе Вина и галактической астрономии.Они объединят все эти знания, чтобы увидеть, как наблюдение галактик на разных длинах волн позволяет астрономам собирать огромное количество увлекательной информации о структуре и составе галактик.

Звездных жизней
Предметы: Звезды
Уровни успеваемости: 9-12

Это задание дает учащимся возможность узнать об основных характеристиках звезд и их жизненных циклах. Студенты разыгрывают пьесу, в которой участники берут на себя роли нескольких разных звезд.По мере продвижения пьесы учащиеся развивают понимание самых фундаментальных концепций звездной астрономии.

Навигация по ночному небу
Предметы: Наблюдения за небом
Уровни успеваемости: 9-12

Что сегодня в небе? Как узнать, где и когда искать определенную звезду? Это упражнение знакомит с звездными картами и звездными колесами как инструментами для изучения ночного неба.

Волны
Субъекты: Электромагнитное излучение
Уровни обучения: 9-12

Справочный урок по физике волн.Студенты используют слинки, чтобы открыть для себя свойства поперечных и продольных волн. Затем учитель демонстрирует наложение волн с помощью бесплатного программного обеспечения для редактирования звука и музыкального инструмента.

Интервью с белым карликом
Субъекты: Звезды
Уровни успеваемости: 9-12

Это задание дает учащимся возможность применить свои знания и понимание закона газа, сохранения энергии и сил для звездной эволюции.Студенты выступают в качестве участников интервью с нашим Солнцем в конце его звездной жизни, на стадии белого карлика. Студенты следят за историей жизни этого белого карлика с помощью текста, сюжетов и изображений. Для каждой стадии эволюции они рассматривают свойства звезды и вычисляют несколько других.

Свойства белых карликов
Объекты: Звезды
Уровни успеваемости: 9-12

Астрономы определяют свойства белых карликов на основе наблюдений с помощью телескопа и светочувствительных инструментов.Студенты будут следовать тем же шагам, что и астрономы, чтобы найти основные свойства белого карлика. В ходе исследования учащиеся будут использовать математические навыки (алгебра) и концепции геометрии.

Возраст Млечного Пути
Объекты: Звезды
Уровни успеваемости: 9-12

Белый карлик - заключительный этап в жизни звезды, подобной Солнцу, которая медленно остывает за счет излучения света. Зная, как температура белого карлика изменяется со временем (охлаждение), астрономы могут определить возраст белого карлика.Наблюдая за множеством белых карликов и вычисляя их температуру, астрономы могут оценить возраст Галактики. Учащиеся узнают о кривых охлаждения, измеряя снижение температуры в кипящей воде, и распространяют эти концепции на охлаждение белых карликов.

Исследование света: оптика дифракции
Объекты: Электромагнитное излучение
Уровни оценки: 9-12

Астрономы используют дифракцию света для рассеивания (или распределения) цветов света от астрономических источников света в спектре.Затем спектр используется для измерения физических характеристик этого источника. Это занятие дает возможность на практике понять явление дифракции света.

12 величайших вызовов для освоения космоса

Человечество зародилось в Африке. Но не мы остались там, не все из нас - на протяжении тысячелетий наши предки ходили по всему континенту, а затем покинули его. И когда они вышли к морю, они построили лодки и проплыли на огромные расстояния к островам, о которых они не могли знать, находясь там.Почему?

Вероятно, по той же причине мы смотрим на луну и звезды и говорим: «Что там наверху? Можем ли мы пойти туда? Может быть, мы могли бы пойти туда ». Потому что это то, чем занимаются люди.

Фотография Дэна Винтерса; Nebula от Ash Thorp

Космос, конечно же, бесконечно более враждебен человеческой жизни, чем поверхность моря; Спасение от земной гравитации влечет за собой гораздо больше работы и затрат, чем отталкивание от берега. Но эти лодки были передовыми технологиями своего времени.Путешественники тщательно спланировали свои дорогостоящие и опасные путешествия, и многие из них погибли, пытаясь выяснить, что находится за горизонтом. Так зачем продолжать это делать?

Я мог бы рассказать вам о побочных технологиях, начиная от небольших удобных продуктов и заканчивая открытиями, которые могут накормить миллионы, предотвратить несчастные случаи со смертельным исходом или спасти жизни больных и раненых.

Я мог бы сказать вам, что мы не должны хранить все яйца в этой все более хрупкой корзине - один хороший удар метеорита, и мы все присоединимся к нептичьим динозаврам.А погоду в последнее время замечали?

Я мог бы сказать вам, что для нас было бы хорошо объединиться для реализации проекта, который не предполагает убийства друг друга, который предполагает понимание нашей родной планеты и способов, которыми мы выживаем на ней, и того, что имеет решающее значение для нашего продолжения выжить на нем.

Я мог бы сказать вам, что продвижение дальше в солнечную систему могло бы быть хорошим планом, если человечеству посчастливится пережить следующие 5,5 миллиардов лет и Солнце расширится настолько, чтобы поджарить Землю.

Я мог бы рассказать вам все эти вещи: все причины, по которым мы должны найти способ жить вдали от этой планеты, строить космические станции, лунные базы, города на Марсе и места обитания на лунах Юпитера. Все причины, по которым мы должны, если нам это удастся, посмотреть на звезды за пределами нашего Солнца и сказать: «Можно ли нам пойти туда? Может быть, мы могли бы пойти туда ».

Это огромный, опасный, возможно, невозможный проект. Но это никогда не останавливало людей от кровавых попыток.

Человечество родилось на Земле.Мы останемся здесь? Подозреваю - надеюсь - ответ отрицательный. - Энн Леки

Энн Леки - отмеченный наградами Хьюго и Небула автор книги Вспомогательное правосудие.


подпись

проблема: взлет

Gravity's a Drag

Спуск с Земли немного похож на развод: вы хотите сделать это быстро, с как можно меньшим багажом. Но мощные силы сговорились против вас, в частности, гравитация. Если объект на поверхности Земли хочет свободно летать, он должен взлетать и вылетать со скоростью, превышающей 25 000 миль в час.

Это требует серьезного умения - читайте: доллары. Только запуск марсохода Mars Curiosity обошелся почти в 200 миллионов долларов, что составляет примерно десятую часть бюджета миссии, и любая миссия с экипажем будет обременена материалами, необходимыми для поддержания жизни. Композиционные материалы, такие как сплавы экзотических металлов и волокнистые листы, могут снизить вес; объедините это с более эффективными и мощными топливными смесями, и вы получите больший эффект от своего бустера.

Но наибольшей экономией денег будет возможность многократного использования.«По мере увеличения количества полетов появляется эффект масштаба», - говорит Лес Джонсон, технический помощник Управления перспективных концепций НАСА. «Это ключ к резкому снижению затрат». Например, Falcon 9 компании SpaceX был разработан для того, чтобы запускать снова и снова. Чем больше вы летите в космос, тем дешевле это становится. —Ник Стоктон


проблема: движение

Наши корабли слишком медленные

Пробираться сквозь космос легко. В конце концов, это вакуум; ничто не может вас замедлить.Но с чего начать? Это медведь. Чем больше масса объекта, тем больше силы требуется для его перемещения, а ракеты довольно массивны. Химическое топливо отлично подходит для начального толчка, но ваш драгоценный керосин сгорит за считанные минуты. После этого ожидайте достичь спутников Юпитера за пять-семь лет. Чертовски много фильмов в полете. Движение требует радикально нового метода. Вот что есть у ученых-ракетчиков сейчас, над чем они работают, или что они хотели бы иметь. —Ник Стоктон

освоение космоса | История, определение и факты

Мотивы для космической деятельности

Хотя возможность исследования космоса давно волновала людей во многих сферах жизни, на протяжении большей части конца 20 века и до начала 21 века только национальные правительства могли позволить себе такую ​​возможность. очень высокие затраты на запуск людей и машин в космос.Эта реальность означала, что освоение космоса должно было служить очень широким интересам, и это действительно делалось разными способами. Государственные космические программы способствовали расширению знаний, служили показателями национального престижа и могущества, укрепляли национальную безопасность и военную мощь и приносили значительную пользу широкой публике. В тех областях, где частный сектор может получать прибыль от деятельности в космосе, особенно от использования спутников в качестве ретрансляторов электросвязи, коммерческая космическая деятельность процветает без государственного финансирования.В начале 21 века предприниматели считали, что в космосе есть несколько других областей коммерческого потенциала, в первую очередь космические путешествия, финансируемые из частных источников.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Узнайте о космическом корабле на орбите вокруг Марса и марсоходах Opportunity и Curiosity на поверхности Марса.

Узнайте о различных научных усилиях по изучению планеты Марс, включая марсоход Curiosity.

Британская энциклопедия, Inc. Посмотреть все видеоролики к этой статье

В годы после Второй мировой войны правительства взяли на себя ведущую роль в поддержке исследований, которые расширили фундаментальные знания о природе, роль, которую ранее играли университеты, частные фонды и другие неправительственные организации. . Это изменение произошло по двум причинам. Во-первых, необходимость в сложном оборудовании для проведения многих научных экспериментов и в использовании этого оборудования большими группами исследователей привела к расходам, которые могли себе позволить только правительства.Во-вторых, правительства были готовы взять на себя эту ответственность из-за веры в то, что фундаментальные исследования дадут новые знания, необходимые для здоровья, безопасности и качества жизни их граждан. Таким образом, когда ученые обратились за государственной поддержкой для ранних космических экспериментов, это было сделано. С самого начала космических усилий в Соединенных Штатах, Советском Союзе и Европе национальные правительства уделяли первоочередное внимание поддержке науки, осуществляемой в космосе и из космоса. Изначально космическая наука расширилась при поддержке правительства и теперь включает многомиллиардные исследовательские миссии в Солнечной системе.Примеры таких усилий включают разработку марсохода Curiosity, миссию Кассини-Гюйгенс к Сатурну и его спутникам, а также создание крупных космических астрономических обсерваторий, таких как космический телескоп Хаббла.

Советский лидер Никита Хрущев в 1957 году использовал тот факт, что его страна первой запустила спутник, как доказательство технологической мощи Советского Союза и превосходства коммунизма. Он повторил эти утверждения после орбитального полета Юрия Гагарина в 1961 году.Хотя президент США Дуайт Д. Эйзенхауэр решил не бороться за престиж с Советским Союзом в космической гонке, его преемник, Джон Ф. Кеннеди, придерживался другой точки зрения. 20 апреля 1961 года, после полета Гагарина, он попросил своих советников определить «космическую программу, обещающую драматические результаты, в которых мы могли бы победить». Ответ пришел в меморандуме от 8 мая 1961 года, в котором США рекомендовалось отправить людей на Луну, потому что «драматические достижения в космосе… символизируют технологическую мощь и организаторские способности нации» и потому что последующий престиж будет « часть битвы на подвижном фронте холодной войны.«С 1961 года до распада Советского Союза в 1991 году конкуренция между Соединенными Штатами и Советским Союзом сильно влияла на темпы и содержание их космических программ. Другие страны также считали успешную космическую программу важным показателем национальной мощи.

Еще до того, как был запущен первый спутник, лидеры США признали, что возможность наблюдать за военной деятельностью по всему миру из космоса станет преимуществом для национальной безопасности. После успеха своих фоторазведочных спутников, которые начали работать в 1960 году, Соединенные Штаты строили все более сложные спутники наблюдения и радиоэлектронной разведки.Советский Союз также быстро разработал ряд разведывательных спутников, а позже несколько других стран учредили свои собственные программы спутникового наблюдения. Спутники для сбора разведданных использовались, среди прочего, для проверки соглашений о контроле над вооружениями, предупреждения о военных угрозах и определения целей во время военных операций.

Снимки со спутника Corona

Два снимка с американского разведывательного спутника Corona, сделанные с разницей в год - в середине 1961 года (вверху) и середине 1962 года (внизу), - демонстрируют постройку нового советского межконтинентального седла SS-7 (R-16). баллистическая ракета.Расположенный в Юрье, Россия, это место было первым советским комплексом межконтинентальных баллистических ракет, идентифицированным на снимках Corona.

Национальное разведывательное управление

Помимо обеспечения безопасности, спутники предоставили вооруженным силам возможность улучшить связь, наблюдение за погодой, навигацию, время и определение местоположения. Это привело к значительному государственному финансированию военно-космических программ в США и Советском Союзе. Хотя преимущества и недостатки размещения оружия доставки в космосе обсуждались, по состоянию на начало 21 века такое оружие не было развернуто, равно как и не было космических противоспутниковых систем, то есть систем, которые могут атаковать или мешать движению по орбите. спутники.Размещение оружия массового поражения на орбите или небесных телах запрещено международным правом.

Правительства рано осознали, что возможность наблюдать Землю из космоса может принести значительные выгоды широкой публике, помимо безопасности и использования в военных целях. Первым приложением, которое было решено, была разработка спутников для помощи в прогнозировании погоды. Второе приложение включало дистанционное наблюдение за поверхностью суши и моря для сбора изображений и других данных, важных для прогнозирования урожая, управления ресурсами, мониторинга окружающей среды и других приложений.США, Советский Союз, Европа и Китай также разработали свои собственные спутниковые системы глобального позиционирования, первоначально для военных целей, которые могли определять точное местоположение пользователя, помогать в навигации из одной точки в другую и обеспечивать очень точные сигналы времени. . Эти спутники быстро нашли множество гражданских применений в таких областях, как персональная навигация, геодезия и картография, геология, управление воздушным движением и эксплуатация сетей передачи информации. Они иллюстрируют реальность, которая оставалась неизменной на протяжении полувека: по мере развития космического потенциала они часто могут использоваться как в военных, так и в гражданских целях.

TIROS 7

TIROS 7 (спутник для телевизионных и инфракрасных наблюдений 7), запущенный 19 июня 1963 года. Первая серия американских космических аппаратов TIROS, выведенных на околоземную орбиту в 1960–1965 годах, проложила путь к развитию спутниковых систем для проводить плановый ежедневный мониторинг погоды и атмосферы.

NASA

Еще одно космическое приложение, которое началось при государственной поддержке, но быстро перешло в частный сектор, - это ретрансляция голоса, видео и данных через орбитальные спутники.Спутниковая связь превратилась в многомиллиардный бизнес и является одной из явно успешных областей коммерческой космической деятельности. Смежный, но экономически гораздо меньший коммерческий космический бизнес - это обеспечение запусков частных и государственных спутников. В 2004 году частное предприятие отправило пилотируемый космический корабль SpaceShipOne к нижнему краю космоса для трех коротких суборбитальных полетов. Хотя технически это было гораздо менее сложным достижением, чем вывод людей на орбиту, его успех рассматривался как важный шаг на пути к открытию космоса для коммерческих путешествий и, в конечном итоге, для туризма.Спустя более 15 лет после выхода SpaceShipOne в космос несколько фирм были готовы выполнять такие суборбитальные полеты. Возникли компании, которые также используют спутниковые снимки для предоставления бизнесу данных об экономических тенденциях. Были высказаны предположения, что в будущем другие области космической деятельности, в том числе использование ресурсов, обнаруженных на Луне и околоземных астероидах, и захват солнечной энергии для производства электроэнергии на Земле, могут стать успешными предприятиями.

Большая часть космической деятельности преследовалась, потому что она служит некоторой утилитарной цели, будь то расширение знаний, усиление национальной мощи или получение прибыли.Тем не менее, остается сильное основополагающее ощущение того, что людям важно исследовать космос ради самого себя, «чтобы увидеть, что там есть». Хотя единственные путешествия, которые люди совершали вдали от ближайших окрестностей Земли - полеты Аполлона на Луну - были мотивированы соревнованием времен холодной войны, люди неоднократно призывали вернуться на Луну, отправиться на Марс и посетить другие места в солнечной системе и за ее пределами. Пока люди не возобновят такие исследования, роботизированные космические корабли будут продолжать служить вместо них, чтобы исследовать Солнечную систему и исследовать тайны Вселенной.

Инвестиции в освоение космоса | Морган Стэнли

Прошло почти полвека с тех пор, как люди оставили следы на Луне, и все это время исследование космоса человеком в основном сосредоточивалось на пилотируемых полетах на околоземную орбиту и беспилотных научных исследованиях. Но теперь высокий уровень частного финансирования, достижения в области технологий и растущий интерес со стороны государственного сектора заставляют вновь обратиться к звездам.

Инвестиционные последствия для более доступного и менее дорогостоящего выхода в космическое пространство могут быть значительными, с потенциальными возможностями в таких областях, как спутниковая широкополосная связь, высокоскоростная доставка продукции и, возможно, даже космические полеты человека.В то время как самые последние усилия по исследованию космоса были инициированы несколькими частными компаниями, создание в 2019 году шестого подразделения вооруженных сил США - «Космических сил» - наряду с растущим интересом со стороны России и Китая, означает, что инвестиции государственного сектора могут также увеличится в ближайшие годы.

Чтобы обозначить прогресс в космосе как государственных, так и частных компаний, а также усилия правительства, космическая команда Morgan Stanley Research изучает эти разработки, чтобы детализировать совокупность потенциальных возможностей для инвесторов.

Один преобразующий технологический сдвиг часто может вызвать новую эру модернизации, за которой следует поток дополнительных инноваций. В 1854 году, когда Элиша Отис продемонстрировал безопасный лифт, публика не могла предвидеть его влияния на архитектуру и городской дизайн. Но примерно через 20 лет каждое многоэтажное здание в Нью-Йорке, Бостоне и Чикаго было построено вокруг центральной шахты лифта.

Сегодня разработка многоразовых ракет может стать поворотным моментом.«Мы думаем о многоразовых ракетах как о лифте на низкую околоземную орбиту (НОО)», - говорит аналитик Morgan Stanley Equity Адам Джонас. «Подобно тому, как потребовались дальнейшие инновации в строительстве лифтов, прежде чем сегодняшние небоскребы могли усеять горизонт, так и возможности в космосе будут открываться из-за доступа и снижения затрат на запуск».

Частные компании, занимающиеся исследованием космоса, также разрабатывают космические технологии с такими амбициями, как пилотируемые посадки на Луну и ракетные пусковые установки на самолетах, которые могут запускать небольшие спутники на НОО с гораздо меньшими затратами и с гораздо большей оперативностью, чем наземные. на базе систем.

Несмотря на то, что в последние годы большинство заголовков привлекали внимание к проектам прямых инвестиций, возрос интерес к ним со стороны государственного сектора. В декабре 2019 года администрация Трампа учредила Космическое командование США (включая Силы космических операций и Агентство космических разработок) с подписанием в рамках Закона о разрешении национальной обороны на 2020 год. Это развитие, вероятно, принесет пользу Министерству обороны США. - а также в аэрокосмической и оборонной промышленности - и помогают сосредоточить и ускорить инвестиции в инновационные технологии и возможности.

Затем, в мае 2020 года, НАСА запустило пилотируемый полет к Международной космической станции (МКС) на американской ракете коммерческой разработки. Этот запуск стал первым пилотируемым полетом США на МКС с момента прекращения программы шаттлов в 2011 году. Он также представляет собой важную веху в отношениях между частными предприятиями и правительством США в космической сфере.

В ближайшей перспективе космос как инвестиционная тема, вероятно, повлияет на ряд отраслей, помимо аэрокосмической и оборонной, таких как ИТ-оборудование и телекоммуникации.По оценкам Morgan Stanley, мировая космическая отрасль может принести доход в размере более 1 триллиона долларов или более в 2040 году по сравнению с 350 миллиардами долларов в настоящее время. Тем не менее, наиболее значительные краткосрочные и среднесрочные возможности могут открыться благодаря спутниковому широкополосному доступу в Интернет.

Мировая космическая экономика (т)

По оценкам Morgan Stanley, спутниковая широкополосная связь будет составлять 50% прогнозируемого роста мировой космической экономики к 2040 году - и целых 70% в наиболее оптимистичном сценарии.Запуск спутников, предлагающих услуги широкополосного доступа в Интернет, поможет снизить стоимость данных, поскольку спрос на эти данные стремительно растет.

«Спрос на данные растет экспоненциально, в то время как стоимость доступа к космосу (и, соответственно, данных) падает на порядки», - говорит Йонас. «Мы считаем, что наибольшие возможности открывает доступ в Интернет. к недостаточно обслуживаемым и необслуживаемым частям мира, но также будет увеличиваться спрос на пропускную способность от автономных автомобилей, Интернета вещей, искусственного интеллекта, виртуальной реальности и видео.«

Фактически, по мере роста спроса на данные - тенденция, обусловленная, в частности, автономными транспортными средствами - по оценкам Morgan Stanley, стоимость одного мегабайта беспроводных данных будет менее 1% от сегодняшнего уровня.

Ракеты многоразового использования помогут снизить эти затраты, так же как и массовое производство спутников и развитие спутниковых технологий. В настоящее время стоимость запуска спутника снизилась примерно до 60 миллионов долларов с 200 миллионов долларов за счет многоразовых ракет с возможным снижением до 5 миллионов долларов.А массовое производство спутников может снизить эту стоимость с 500 миллионов долларов за спутник до 500 000 долларов.

Помимо возможностей, предоставляемых спутниковым широкополосным доступом в Интернет, новые рубежи в ракетостроении открывают некоторые заманчивые возможности. Пакеты, которые сегодня доставляются самолетом или грузовиком, можно было бы доставить ракетой быстрее. Возможно, частные космические путешествия станут коммерчески доступными. Горное оборудование может быть отправлено на астероиды для добычи полезных ископаемых - теоретически все это возможно с учетом последних достижений в ракетной технике.

Йонас предупреждает, что «история полна предостерегающих историй» об инвестировании в спутниковые и другие космические компании, отмечая, что акции были нестабильными, а несколько таких компаний потерпели неудачу в 1990-е годы. Понятно, что многие инвесторы предпочли бы думать о более близких темах которые являются действенными и могут повлиять на их портфели в 2020 году. Однако инициативы крупных государственных и частных компаний предполагают, что космос - это область, в которой мы увидим значительное развитие, потенциально улучшающее U.S. технологическое лидерство и устранение возможностей и уязвимостей в сфере наблюдения, развертывания миссий, кибернетического и искусственного интеллекта.

За дополнительной информацией о возможностях в космосе обращайтесь к своему представителю Morgan Stanley или к финансовому консультанту , чтобы узнать о недавних отчетах Morgan Stanley Research об инвестиционном значении космической экономики. Плюс еще Идеи от лидеров мнений Morgan Stanley.

Факты и информация о космическом мусоре

В 2009 году, почти в 500 милях над Сибирью, два спутника столкнулись со скоростью около 22 300 миль в час, превратившись в облако из тысяч обломков. Виновниками этой высокоскоростной аварии были бездействующий российский спутник Cosmos 2251 и активный американский спутник связи Iridium 33. Их катастрофический конец стал первым известным случаем столкновения двух спутников в космосе и поразительным напоминанием о растущей проблеме космический мусор.

Более 23 000 известных искусственных фрагментов размером более 4 дюймов, что немного шире двух мячей для гольфа в поперечнике, проносятся по нашей планете. Но это лишь части, достаточно большие, чтобы их можно было отследить. По оценкам, 500000 частей от 0,4 до 4 дюймов в поперечнике присоединяются к этим большим фрагментам.

Большая часть этого мусора находится в пределах 1250 миль от поверхности Земли на так называемой низкой околоземной орбите, где находится множество спутников, таких как флот Системы наблюдения за Землей НАСА и Международная космическая станция.И хотя космос велик - поэтому даже 23000 фрагментов обычно находятся далеко друг от друга, - даже самые крошечные искусственные обломки могут быть проблематичными для активных орбитальных аппаратов из-за их головокружительной скорости.

Космический мусор может поражать другие объекты со скоростью более 22 300 миль в час, быстрее, чем летящая пуля. Столкновения с этими крошечными частями часто оставляют ямы и вмятины на многих спутниках, телескопах и других объектах, вращающихся вокруг нашей планеты. Например, в 2006 году крошечный кусок космического мусора столкнулся с Международной космической станцией, вырвав чип из сильно укрепленного окна.

Что это за хлам?

Космический мусор накапливается с тех пор, как 4 октября 1957 года первый искусственный спутник Земли избежал гравитационного воздействия Земли. Это знаменательное событие ознаменовало начало космической эры, когда люди начали исследовать все дальше от нашего дома. world, подвиг, который был повторен в более чем 4700 запусках по всему миру. Но это также означает, что мы оставили свой след в космосе в виде мусора.

Мусор включает в себя ступени от ракет, выбрасывающих спутники на орбиту, и самих спутников после их смерти.Но он также включает в себя более мелкие детали, потерянные в космосе, в том числе осколки краски, отслаивающиеся от внешних поверхностей устройств, гайки и болты, мешки для мусора, крышку объектива, отвертку и даже шпатель.

Но это число резко увеличилось в последние десятилетия благодаря как столкновению спутников в 2009 году, так и уничтожению Китаем в 2007 году метеорологического спутника Fengyun-1C во время испытания противоспутниковой ракеты. 27 марта 2019 года Индия объявила, что она также успешно завершила испытание противоспутниковой ракеты, создав новое облако из не менее 400 обломков, что повысило риск столкновения с МКС примерно на 44 процента в течение 10 дней. период.(МКС можно увести, если она в опасности.)

Однако у этого конкретного облака космического мусора есть несколько положительных моментов. В отличие от высотных испытаний Китая в 2007 году, считается, что индийская ракета нацелена на маловысотный спутник Microsat-R, что означает, что большая часть этого мусора, как ожидается, со временем снова войдет в атмосферу Земли. Тем не менее, в ратуше после этого события администратор НАСА Джим Бриденстайн назвал создание облака обломков «неприемлемым» и добавил, что «когда одна страна делает это, другие страны чувствуют, что они тоже должны это делать.

Поскольку небо становится все более и более переполненным научными и коммерческими орбитальными аппаратами, все страны должны вмешаться, чтобы подавить растущую проблему.

Эксперты прогнозируют возрастающую угрозу падения на Землю космического мусора.

Как мы узнаем, что там наверху?

Министерство обороны США отслеживает обломки с помощью сети космического наблюдения. Перед группой поставлена ​​задача обнаруживать, отслеживать и каталогизировать множество созданных человеком предметов, вращающихся вокруг планеты, с помощью глобальной сети телескопов.

Объекты размером около 4 дюймов и более каталогизируются и регулярно отслеживаются. Объекты размером до 0,12 дюйма могут быть идентифицированы наземными радарами, что позволяет ученым оценивать численность населения с помощью статистических данных. Оценки еще меньшего количества материала получены при исследовании углублений и ям на возвращающихся космических кораблях, которые работали на малых высотах.

Можем ли мы прекратить запускать объекты в космос?

Хотя часть мусора со временем потеряет высоту и сгорит в атмосфере Земли, там много чего.Даже без новых запусков или крупных взрывов космического мусора, уже находящегося на низкой околоземной орбите, так много, что он, вероятно, продолжит размножаться на протяжении столетий по мере столкновения частей, находящихся на орбите.

Компьютерное моделирование следующих 200 лет показывает, что за это время количество обломков размером более 8 дюймов увеличится в 1,5 раза. Но более мелкие частицы увеличиваются еще больше. Ожидается, что мусор размером от 4 до 8 дюймов увеличится в 3,2 раза, а мусор менее 4 дюймов вырастет в 13-20 раз.В одном обзоре состояния космического мусора, опубликованном в Science , отмечается: «В действительности ситуация, несомненно, будет хуже, потому что космические корабли и их орбитальные ступени будут продолжать запускаться».

Мы все больше полагаемся на растущее созвездие спутников наверху. Они не только бесценны для науки, но и мы используем их для общения, навигации, прогнозирования погоды и многого другого. Поэтому вместо того, чтобы останавливать будущие запуски, исследователи изучали ряд методов как для удаления, так и для уменьшения космического мусора.

Что делается?

Кадры разрабатываемых концепций по борьбе с космическим мусором часто больше напоминают научную фантастику, чем реальность. Японское космическое агентство JAXA испытывает электронный космический хлыст, который протягивает в длину шесть футбольных полей, известный как электродинамический трос (EDT). Электрифицированная линия длиной почти 2300 футов имеет вес в 44 фунта. При развертывании он предназначен для сбивания обломков с орбиты, чтобы они сгорели в атмосфере Земли.

И это далеко не единственный вариант. Другие предложения включают гигантские магниты, гарпуны и сети для безопасного уничтожения растущего облака мусора. Многие страны решают эту проблему с другой стороны уравнения, гарантируя, что любые будущие искусственные орбитальные аппараты, которые будут взлетать над поверхностью Земли, будут иметь соответствующий план выхода из эксплуатации, чтобы ограничить растущее облако мусора, окутывающее нашу родную планету.

Как быстро люди могут безопасно путешествовать в космосе?

Присущая сверхсветовой сфере живучесть, хотя и является умозрительной, не обходится без некоторых образованных снимков в темноте.Один интригующий сценарий со скоростью, превышающей скорость света, работает как «варп-драйв» из «Звездного пути». Названный двигателем Алькубьерре, он включает сжатие нормального пространства-времени, описанного эйнштейновской физикой, перед звездным кораблем и расширение его позади. По сути, корабль находится в куске пространства-времени - «пузыре варпа», который движется быстрее скорости света. Однако корабль остается в покое в пределах своего кармана нормального пространства-времени, избегая любого нарушения универсального предела скорости света. «Вместо того, чтобы плыть по воде» обычного пространства-времени, - говорит Дэвис, - поездка по Алькубьерре «перенесет вас, как серфера, едущего на гребне волны на доске для серфинга».

Уловка: эта концепция требует, чтобы экзотическая форма материи, обладающая отрицательной массой, сжималась и расширяла пространство-время. «Физика не запрещает отрицательную массу, - говорит Дэвис, - но ее примеров нет, и мы никогда не видели ее в природе». Другая загвоздка: в статье 2012 года исследователей Сиднейского университета предполагается, что варп-пузырь будет собирать космические частицы высокой энергии, поскольку он неизбежно взаимодействует с содержимым Вселенной. Некоторые частицы просочились бы внутрь самого пузыря, взорвав корабль радиацией.

Застрял на субсвете?

Неужели мы навсегда застряли на субсветовых скоростях из-за нашей хрупкой биологии? Ответ важен не только для установления нового рекорда скорости человеческого мира (галактики?), Но и для перспективы того, что наш вид когда-либо станет межзвездным обществом. При предельной скорости в полсвета, которую исследования Эдельштейна устанавливают для наших тел, путешествие к ближайшей звезде составляет более 16 лет туда и обратно. (Эффект замедления времени, при котором для экипажа мчащегося звездного корабля с его системой отсчета прошло бы меньше времени, чем для людей, живущих дома на Земле в другой системе отсчета, не будет драматическим эффектом на полусветовой скорости.)

Миллис вселяет надежду. Видя, как человечество изобрело скафандры с высокой перегрузкой и защиту от микрометеороидов, чтобы обеспечить безопасное путешествие на потрясающих скоростях в большом синем небе и усеянной звездами тьме космоса, он думает, что мы найдем способы выжить в любых скоростных границах, с которыми мы столкнемся в следующий раз.

«Технологии, которые могут обеспечить непредвиденные новые скорости передвижения, если физика будущего обнаружит, что такая технология возможна, - говорит Миллис, - также дадут нам новые, непредвиденные возможности для защиты экипажей.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *