Номер 1, страница 92 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. Приведите примеры (из области астрономии), доказывающие, что при отсутствии сил сопротивления тело может неограниченно долго двигаться по замкнутой траектории под действием силы, меняющей направление скорости движения этого тела.

1. В астрономии существует множество примеров, подтверждающих, что тело может неограниченно долго двигаться по замкнутой траектории при отсутствии сил сопротивления. Это явление лежит в основе движения всех небесных тел. Силой, меняющей направление скорости, в данном случае выступает гравитационная сила.

Рассмотрим основные примеры:

• Движение планет вокруг Солнца. Земля и другие планеты Солнечной системы движутся по эллиптическим орбитам вокруг Солнца. Солнце притягивает планету силой всемирного тяготения. Эта сила всегда направлена к центру Солнца и перпендикулярна (в случае круговой орбиты) или имеет перпендикулярную составляющую к вектору скорости планеты. Именно эта сила заставляет планету постоянно отклоняться от прямолинейной траектории, двигаясь по кривой. Поскольку в космосе практически отсутствует сопротивление (вакуум), планета не теряет свою кинетическую энергию и может продолжать движение миллиарды лет.
• Движение естественных спутников вокруг планет. Классический пример — движение Луны вокруг Земли. Земля притягивает Луну, заставляя её двигаться по орбите. Луна обладает большой скоростью, направленной по касательной к траектории. Без притяжения Земли она улетела бы в космос по прямой. Сила тяжести со стороны Земли постоянно "искривляет" её траекторию, превращая её в замкнутую орбиту.
• Движение искусственных спутников Земли (ИСЗ). ИСЗ, выведенные на достаточно большую высоту (где сопротивление атмосферы пренебрежимо мало), движутся вокруг Земли по тому же принципу. Сила тяжести действует на них как центростремительная сила, удерживая на орбите.

Во всех этих случаях выполняется закон сохранения энергии. Тело обладает кинетической энергией за счет своего движения и потенциальной энергией в гравитационном поле. При отсутствии сил сопротивления (диссипативных сил) полная механическая энергия системы $E = E_k + E_p$ остается постоянной, что и обеспечивает стабильность орбиты на протяжении очень длительного времени.

Ответ: Примерами такого движения являются: обращение планет (например, Земли) вокруг Солнца; обращение естественных спутников (например, Луны) вокруг планет; движение искусственных спутников вокруг Земли. Во всех этих случаях гравитационная сила действует как центростремительная, постоянно изменяя направление вектора скорости тела и заставляя его двигаться по замкнутой орбите в условиях практически полного отсутствия сил сопротивления.

2. Спутники, как естественные (например, Луна), так и искусственные, не падают на Землю, потому что они находятся в состоянии непрерывного свободного падения вокруг Земли. Это может показаться парадоксальным, но объясняется сочетанием двух факторов: силы гравитационного притяжения Земли и большой горизонтальной (тангенциальной) скорости спутника.

Представим мысленный эксперимент, предложенный еще Исааком Ньютоном (пушка на горе).

1. Если выстрелить из пушки с небольшой скоростью, ядро пролетит некоторое расстояние и упадет на Землю под действием гравитации.
2. Если увеличить скорость выстрела, ядро пролетит дальше, прежде чем упасть.
3. Если придать ядру очень большую горизонтальную скорость, так называемую первую космическую скорость (около 7.9 км/с для орбит у поверхности Земли), то по мере того, как ядро будет падать к Земле, поверхность планеты из-за её кривизны будет "уходить" из-под него с такой же скоростью.

В результате траектория падения ядра замкнется в окружность (или эллипс), и оно станет искусственным спутником, который никогда не столкнется с поверхностью. Спутник постоянно "промахивается" мимо Земли.

С физической точки зрения, сила гравитационного притяжения Земли $F_g$ сообщает спутнику центростремительное ускорение $a_c$. Эта сила всегда направлена к центру Земли, то есть перпендикулярно вектору скорости спутника (для круговой орбиты). Сила, перпендикулярная скорости, не совершает работы, а значит, не изменяет величину скорости (кинетическую энергию), а только меняет её направление. Это постоянное изменение направления скорости и заставляет спутник двигаться по круговой или эллиптической орбите, а не по прямой линии в космос или прямо вниз на Землю.

Таким образом, спутники не парят в невесомости, а постоянно падают, но благодаря своей огромной скорости они все время пролетают "мимо" Земли. Если бы скорость спутника по какой-либо причине уменьшилась (например, из-за трения об остатки атмосферы на низких орбитах), его орбита начала бы снижаться, и в конце концов он упал бы на Землю.

Ответ: Спутники не падают на Землю, так как обладают большой горизонтальной скоростью. Сила притяжения Земли постоянно притягивает спутник к себе, но вместо того чтобы упасть, он, благодаря своей скорости, постоянно "промахивается" мимо планеты, двигаясь по криволинейной орбите. Фактически, движение по орбите — это непрерывное свободное падение вокруг Земли.