IAO 2016, Теория, Група β — Задача 3. Heaven omen. Two comets.
XXI International Astronomy Olympiad — Theoretical round · 5 октомври 2016 г. · 8 т.
Read once more before you start your work
General note. Maybe not all problems have correct questions. Some questions (maybe the main question of the problem, maybe one of the subquestions) may make no real sense. In this case you have to write in your answer (in English or Russian): «impossible situation – ситуация невозможна». Of course, this answer has to be explained numerically or logically.
Data from the tables (Planetary data, stars, constants, etc.) may be used for solving every problem.
The answers «Да-Yes» or «Нет-No» have to be written in English or Russian.
Do not forget that in clean copy you should write solutions only on even (left) pages. The odd (right) pages will be used by your team leader to translate solutions into English and make emphasizing of your thoughts in solutions.
| EVEN PAGE / ЧЁТНАЯ СТРАНИЦА | ODD PAGE / НЕЧЁТНАЯ СТРАНИЦА |
|---|---|
| Текст решения. Text of solution. Текст решения. Text of solution. Текст решения. Text of solution. | × |
Ещё раз прочитайте перед началом работы
Общее замечание. Не исключено, что не во всех задачах вопросы поставлены корректно. Некоторые вопросы (возможно, главный вопрос задачи, возможно – подвопрос) могут не иметь смысла. В этом случае следует написать в ответе (по-русски или по-английски): «ситуация невозможна – impossible situation». Естественно, ответ должен быть подкреплён вычислениями или логическими рассуждениями.
Данные из таблиц (Солнечная система, звёзды, константы) могут быть использованы в любой задаче.
Ответы «Да-Yes» или «Нет-No» должны быть написаны по-русски или по-английски.
Не забудьте, что в чистовике вы должны писать решения только на чётных (левых) страницах. Нечётные (правые) страницы предназначены для того, чтобы руководитель вашей команды перевёл решения на английский язык и подчеркнул основные мысли решения.
Common introduction for problems 3 and 4. Heaven omen.
On June 22, 813 A.D., after 15 days of standing opposite to each other, Bulgarian Khan Krum defeated the Byzantine army of Emperor Michael I Rhangabe near Adrianople (currently Edirne, Turkey) and took over the city. After this victory, the Bulgarian army marched on Constantinople and besieged the capital of the Byzantine Empire. It is possible that the outcome of the battle was affected by superstitious generals. Fear of astronomical events is described in the Byzantine chronicles: “When the two armies, Bulgarian in north-west and Greek in south-east, converged, a terrible celestial omen was the gaze of warriors: two comets, bright as moons, separated from one another”. Some historians of astronomy believe that it is one of the first descriptions of a cometary nucleus fragmentation. However, there are also other options.
Элементы орбит и физические характеристики планет, некоторых карликовых планет, Солнца и Луны / Parameters of orbits and physical characteristics of planets, some dwarf planets, Sun and Moon
| Небесное тело, планета / Body, planet | Среднее расстояние от центрального тела, в астр. ед. / Average distance to central body, in astr. units | в млн. км / in mln. km | Сидерический период обращения, в тропич. годах / Sidereal (or analogous) period, in tropical years | в средних сутках / in days | Эксцентриситет, e / Eccentricity | Экваториальный диаметр, км / Equat. diameter | Масса, 10²⁴ кг / Mass | Средняя плотность, г/см³ / Av. density | Ускор. своб. пад. у пов., м/с² / Grav. acceler. at surf. | Макс. блеск, вид. с Земли / Max. magn. from Earth | Альбедо / Albedo |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Солнце / Sun | 1,6·10⁹ | 2,5·10¹¹ | 2,2·10⁸ | 8·10¹⁰ | 1392000 | 1989000 | 1,409 | -26,8ᵐ | |||
| Меркурий / Mercury | 0,387 | 57,9 | 0,241 | 87,969 | 0,206 | 4 879 | 0,3302 | 5,43 | 3,70 | -2,2ᵐ | 0,06 |
| Венера / Venus | 0,723 | 108,2 | 0,615 | 224,701 | 0,007 | 12 104 | 4,8690 | 5,24 | 8,87 | -4,7ᵐ | 0,78 |
| Земля / Earth | 1,000 | 149,6 | 1,000 | 365,256 | 0,017 | 12 756 | 5,9742 | 5,515 | 9,81 | 0,36 | |
| Луна / Moon | 0,00257 | 0,38440 | 0,0748 | 27,3217 | 0,055 | 3 475 | 0,0735 | 3,34 | 1,62 | -12,7ᵐ | 0,07 |
| Марс / Mars | 1,524 | 227,9 | 1,880 | 686,980 | 0,093 | 6 794 | 0,6419 | 3,94 | 3,71 | -2,0ᵐ | 0,15 |
| Церера / Ceres | 2,77 | 414 | 4,60 | 1 681 | 0,077 | 963 | 0,0009 | 2,16 | 0,27 | 6,7ᵐ | 0,09 |
| Юпитер / Jupiter | 5,204 | 778,6 | 11,862 | 4 332,59 | 0,048 | 142 984 | 1899,8 | 1,33 | 24,86 | -2,7ᵐ | 0,66 |
| Сатурн / Saturn | 9,584 | 1433,7 | 29,458 | 10 759,20 | 0,054 | 120 536 | 568,50 | 0,70 | 10,41 | 0,7ᵐ | 0,68 |
| Уран / Uranus | 19,191 | 2871,0 | 84,015 | 30 685,93 | 0,046 | 51 118 | 86,625 | 1,30 | 8,44 | 5,5ᵐ | 0,74 |
| Нептун / Neptune | 30,071 | 4498,6 | 164,778 | 60 187,64 | 0,008 | 49 532 | 102,78 | 1,76 | 11,20 | 7,8ᵐ | 0,58 |
| Плутон / Pluto | 39,482 | 5906,4 | 248,09 | 90 613 | 0,249 | 2 374 | 0,0130 | 1,86 | 0,61 | 15,1ᵐ | 0,6 |
| Makemake / Makemake | 45,436 | 5906,4 | 306,28 | 111 867 | 0,163 | 1 502 | 0,003 | 1,70 | 0,40 | 0,77 | |
| Эрида / Eris | 67,668 | 10210 | 557 | 203 500 | 0,441 | 2 326 | 0,0167 | 2,52 | 0,68 | 0,90 |
**) Для внешних планет и Луны – в среднем противостоянии. / For outer planets and Moon – in mean opposition.
Данные о некоторых звёздах / Data of some stars
| Звезда / Star | Обозначение | R.A. | DEC | Расстояние / Distance | Зв. вел. / Mag. | Температура / Temperature | Масса / Mass |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Солнце / Sun | ☉ | 0ʰ–24ʰ | -23°26′–+23°26′ | 1 au | -26ᵐ.74 | 5777 K | 1 M☉ |
| Бетельгейзе / Betelgeuse | α Ori | 05ʰ 55ᵐ 10ˢ | 07° 24′ 25″ | 197 pc | 0ᵐ.5 | 3590 K | 11.6 M☉ |
| Альфа Центавра / Alpha Centauri | α Cen | 14ʰ 39ᵐ 36ˢ | -60° 50′ 07″ | 1.33 pc | -0ᵐ.01 / 1ᵐ.33 | 5810 K / 5260 K | 1.11 M☉ / 0.93 M☉ |
Некоторые константы и формулы / Some constants and formulae
| Величина / Quantity | Значение |
|---|---|
| Скорость света в вакууме, c (м/с) / Speed of light in vacuum | 299 792 458 |
| Гравитационная постоянная, G (Н·м²/кг²) / Constant of gravitation | 6.674·10⁻¹¹ |
| Солнечная постоянная, A (Вт/м²) / Solar constant | 1367 |
| Параметр Хаббла, H₀ (км/с/МПк) / Hubble parameter, mean; range | 68; 50–100 |
| Постоянная Планка, h (Дж·с) / Planck constant | 6.626·10⁻³⁴ |
| Заряд электрона, e (Кл) / Charge of electron | 1.602·10⁻¹⁹ |
| Масса электрона, mₑ (кг) / Mass of electron | 9.109·10⁻³¹ |
| Соотношение масс протона и электрона / Proton-to-electron mass ratio | 1836.15 |
| Постоянная Фарадея, F (Кл/моль) / Faraday constant | 96 485 |
| Магнитная постоянная, μ₀ (Гн/м) / Magnetic constant | 1.257·10⁻⁶ |
| Универсальная газовая постоянная, R (Дж/моль/К) / Universal gas constant | 8.314 |
| Постоянная Больцмана, k (Дж/К) / Boltzmann constant | 1.381·10⁻²³ |
| Постоянная Стефана-Больцмана, σ (Вт/м²/К⁴) / Stefan-Boltzmann constant | 5.670·10⁻⁸ |
| Константа смещения Вина, b (м·К) / Wien’s displacement constant | 0.002897 |
| Лабораторная длина волны Hα (Å) / Laboratory wavelength | 6562.81 |
| Длина тропического года, T (сут) / Tropical year length | 365.242199 |
| Длина сидерического года, T (сут) / Sidereal year length | 365.25636 |
| Длина аномалистического года, T (сут) / Anomalistic year length | 365.259636 |
| Период обращения узлов лунной орбиты (лет) / Nodal period of lunar orbit | -18.6 |
| Стандартная атмосфера (Па) / Standard atmosphere | 101 325 |
| Ослабление видимого света слоем 1 атмосферы (минимально) / Visible light extinction in zenith | 19%, 0.23ᵐ |
| Высота однородной атмосферы (м) / Height of homogeneous atmosphere | 7991 |
| Показатель преломления воды при 20°C, n / Refractive index of water | 1.334 |
| Момент инерции шара / Moment of inertia of a solid ball | I=²⁄₅MR² |
| Момент инерции сферы / Moment of inertia of sphere | I=²⁄₃MR² |
| Объём шара / Volume of a ball | V=⁴⁄₃πR³ |
| Площадь сферы / Area of sphere | S=4πR² |
| π | 3.14159265 |
| e | 2.71828183 |
| Золотое сечение, φ / Golden ratio | 1.61803399 |
Official solution and grading sources
The official preliminary solution is retained in its original Russian; English general and applicable beta or joint alpha/beta jury criteria are provided separately. Alpha-only grading sheets are excluded.
Source limitations
The official PDF ends after the second factor in solution 5. Its solution 2 graph is clipped at the original page boundary. The printed dates “17 июня 613 г.” and “16 июня” in solution 4.5 are retained, as are the inconsistent sub-point allocations in general criteria 4.1 and 4.2.
Теоретический тур. Предварительные решения. Только для работы жюри
Note. The given sketches are not full; the team leaders have to give more detailed explanations to students. But the correct solutions in the students’ papers (enough for 8 pts) may be shorter.
Note. Jury members should evaluate the student’s solutions in essence, and not by looking on formal existence the mentioned sentences or formulae. The formal presence of the mentioned positions in the text is not necessary to give the respective points. Points should be done if the following steps de facto using these positions.
Условие
Imagine two comets, moving one by one strictly on the same trajectory. Supposing orbital period of the comets is exactly 3 years, let us assume that they come in opposition for an observer on the Earth during the aphelion passage of their orbit (reaching the middle of asteroid belt), but their apparent positions in this position are so close to each other, that the comets merge into one visible point for the naked eye. At what maximum angular distance from each other the comets can be observed at the time of perihelion passage? (At this angular distance, perhaps two comets were seen in June 813 A.D.).
Решение
αβ-3. Небесное предзнаменование. Две кометы. По III закону Кеплера можно вычислить большую полуось орбиты комет. Если периоды мы измеряем в годах, а расстояния в астрономических единицах, то для орбит вокруг Солнца закон записывается как:
В нашем случае года, а.е. Будем считать, что середина пояса астероидов, которой достигают кометы в афелии, – это окружность с радиусом равным среднему расстоянию от Цереры до Солнца, а.е. Тогда в перигелии они находятся от Солнца на расстоянии а.е. Поскольку плоскость пояса астероидов находится примерно в плоскости эклиптики, означает, что и кометы проходят и афелий, и перигелий также примерно в плоскости эклиптики. Также очевидно, что если период обращения комет составляет три года, то будучи в афелии в противостоянии, они и в перигелии также окажутся в противостоянии, совершив полуоборота вокруг Солнца, в то время как Земля совершит полтора оборота.
То, что кометы летят по одной и той же траектории означает, что одна из них в точности повторяет положения другой через некоторый постоянный интервал времени. Соответственно, расстояние между ними пропорционально их скорости. По II закону Кеплера для положений афелия и перигелия . Таким образом
Во время противостояний угловые расстояния, видимые с Земли:
Если при наблюдении в афелии для невооружённого глаза кометы сливаются в одну видимую точку, значит, они находятся друг от друга на угловом расстоянии меньшем, чем разрешающая способность глаза. Примем, что разрешающая способность глаза равна . Таким образом, ,
Таким образом, две кометы вполне могли быть на угловом расстоянии в треть диаметра Луны и тем самым поразить воинов.
Basic criteria — αβ-3
| № / Abbreviation | Explanations of grading sub-points | Points |
|---|---|---|
| 1 | au | 1 [overwritten mark] |
| 2 | au (or 2.77), au | 1 |
| 3 | Conclusion that comets pass near the ecliptic plane both aphelion and perihelion | 1 |
| 4 | Comets 0.5 revolutions = Earth 1.5 revolutions | 1 |
| 5 | Kepler’s Second Law for the positions of aphelion and perihelion | 2 |
| 6 | Formulae for the angular distances as seen from the Earth | 1 |
| 7 | Correct result | 1 |
Evaluation criteria — Kanchan Chowdhury (IN)
| № / Abbreviation | Explanations of grading sub-points | Points |
|---|---|---|
| 3.1 | a.u. | 2 |
| 3.2 | Resolving power of eye | 1 |
| 3.3 | Application of Kepler’s 2nd law | 2 |
| 3.4 | Comets 0.5 revolutions = Earth 1.5 revolutions | 1 |
| 3.5 | Use of relevant formulae | 1 |
| 3.6 | Interpretation of result | 1 |
Equivalent correct parts of other ways of solution: 8. Extra conclusions or correct additions (add. to 8 pt).
Оригинал в Архива: betatheo1.png · официални решения: theosol.pdf · допълнителни данни: betatheo2.png · допълнителни данни: instructions.png · допълнителни данни: data_1.png · допълнителни данни: data_2.png · допълнителни данни: theocriteria.pdf · допълнителни данни: criteria1.pdf · допълнителни данни: criteria2.pdf · допълнителни данни: criteria3.pdf