IOAA 2016, Отборен тур — Задача 1. (G1)

Отборен тур · 50 т.

Условие

Космически кораб с маса mm и със скорост v⃗\vec{v} се приближава към масивна планета с маса MM и орбитална скорост u⃗\vec{u}. И двете скорости са относно една и съща инерциална отправна система. Разглеждаме един специален случай, в който траекторията на приближаващият се космически кораб е такава, че векторът на скоростта на планетата не променя посоката си в резултат допълнителната скорост, която се придава кораба вследствие на гравитационното взаимодействие между двете тела.

Планета (кръг с надпис Planet) със стрелка u надясно; траекторията на кораба идва отдолу наляво със скорост v (означено spacecraft), заобикаля планетата и излиза горе надясно.
Figure 1
Планета (Planet) със стрелка u надясно; корабът (spacecraft) се приближава отдолу със скорост v под ъгъл θ спрямо пунктирана хоризонтална линия, заобикаля планетата и излиза горе вдясно.
Figure 2
Схема на орбитите на планетите около Слънцето с пунктираната траектория на Voyager 2 и надписи: VOYAGER 2 Launch 20 Aug 77, Jupiter, Saturn 25 Aug 81, Uranus 24 Jan 86, Neptune 25 Aug 89, VOYAGER 2.
Figure 3

В този случай, нарастването на големината на скоростта на космическия кораб може да бъде оценена като се използват закони за запазване. При това се използва измерената стойност на скоростта на космическия кораб на границата на сферата на гравитационно влияние на планетата, в началото и в края на взаимодействието на кораба с гравитационното ѝ поле, и ъгъла на движение на кораба при доближаването към планетата.

(G1.1) Каква ще бъде крайната големината на скоростта (vf→\overrightarrow{v_{\mathrm{f}}}) на космическият кораб, ако v⃗\vec{v} и u⃗\vec{u} имат противоположни посоки (както е показано на Фигура 1)? [3 т.]

(G1.2) Опростете този израз, за случая в който е валидно приближението m≪Mm \ll M. [1 т.]

(G1.3) Ако ъгълът между v⃗\vec{v} и −u⃗-\vec{u} е θ\theta и m≪Mm \ll M (виж Фигура 2), то получете израз за големината на крайната скорост (vfv_{\mathrm{f}}) на сондата, използвайки резултата от предното подусловие. [3 т.]

(G1.4) В таблицата, която е на последната страница, са дадени данни за автоматичната космическа станция Voyager-2, отнасящи се за няколко месеца през 1979г.. Приемете, че наблюдателят се намира в центъра на Слънцето. Разстоянието между наблюдателя и Юпитер е дадено в астрономически единици (AU), а λ\lambda е хелиоцентричната еклиптична дължина в градуси. Приемете, че всички обекти се намират в равнината на еклиптиката, а също че орбитата на Земята около Слънцето е кръгова. Начертайте графика използвайки данните от една от колоните в таблицата, като функция на датата на наблюдение, за да намерите датата на която космическият апарат максимално се сближава с Юпитер и означете графиката с G1.4. [8 т.]

(G1.5) Намерете разстоянието между Земята и Юпитер (dE−Jd_{\mathrm{E-J}}) в деня на максималното сближаване на космическият апарат с планетата. [4 т.]

(G1.6) В деня на максимално сближаване, в колко часа по стандартно време (tstdt_{\mathrm{std}}), приблизително, Юпитер пресича меридиана на мястото за наблюдател, който се намира в Бубанешвар (20.27∘ N; 85.84∘E; UT+05:3020.27^{\circ}\ \mathrm{N};\ 85.84^{\circ}\mathrm{E};\ \mathrm{UT} + 05{:}30) [6 т.]

(G1.7) В таблицата е дадена скоростта на космическата сонда (в km/s), относно същия наблюдател, за няколко дати, преди и след най-близкото преминаване. С n е означен денят в който се случва най-голямото сближаване. Намерете орбиталната скорост на Юпитер (uu) и ъгъла θ\theta използвайки тези данни.

Датаn-45n-35n-25n-15n-5n
vtot\mathbf{v}_{\mathbf{tot}}10.140810.01879.90789.838910.251625.5150
Датаn+5n+15n+25n+35n+45
vtot\mathbf{v}_{\mathbf{tot}}21.863621.702221.558021.381221.2365

[12 т.]

(G1.8) Намерете ексцентрицитета eJe_{\mathrm{J}} на орбитата на Юпитер. [8 т.]

(G1.9) Намерете хелиоцентричната еклиптична дължина λp\lambda_{\mathbf{p}}, на точката в която Юпитер е в перихелий. [5 т.]

МесецДатаλ (∘)Разстояние (AU)
Юни1135.88705.1589731906
Юни2135.93395.1629499712
Юни3135.98065.1669246607
Юни4136.02725.1708975373
Юни5136.07365.1748689006
Юни6136.12005.1788390741
Юни7136.16625.1828084082
Юни8136.21225.1867772826
Юни9136.25825.1907461105
Юни10136.30405.1947153428
Юни11136.34965.1986854723
Юни12136.39515.2026570402
Юни13136.44055.2066306418
Юни14136.48575.2106069354
Юни15136.53075.2145866506
Юни16136.57565.2185705999
Юни17136.62025.2225596924
Юни18136.66475.2265549493
Юни19136.70905.2305575243
Юни20136.75325.2345687280
Юни21136.79705.2385900582
Юни22136.84075.2426232385
Юни23136.88415.2466702671
Юни24136.92735.2507334797
Юни25136.97025.2548156324
Юни26137.01275.2589200110
Юни27137.05505.2630505798
Юни28137.09695.2672121872
Юни29137.13845.2714108557
Юни30137.17955.2756542053
Юли1137.22005.2799520895
Юли2137.26005.2843175880
Юли3137.29935.2887686308
Юли4137.33785.2933308160
Юли5137.37545.2980426654
Юли6137.41185.3029664212
Юли7137.44675.3082133835
Юли8137.47985.3140161793
Юли9137.51165.3210070441
Юли10137.56285.3312091210
Юли11137.68985.3405592121
Юли12137.82665.3466522674
Юли13137.95995.3516661563
Юли14138.09035.3561848203
Юли15138.21865.3604205657
Юли16138.34535.3644742164
МесецДатаλ (∘)Разстояние (AU)
Юли17138.47075.3684017790
Юли18138.59495.3722377051
Юли19138.71835.3760047603
Юли20138.84095.3797188059
Юли21138.96285.3833913528
Юли22139.08415.3870310297
Юли23139.20485.3906444770
Юли24139.32505.3942369174
Юли25139.44485.3978125344
Юли26139.56415.4013747321
Юли27139.68315.4049263181
Юли28139.80165.4084696349
Юли29139.91985.4120066575
Юли30140.03775.4155390662
Юли31140.15535.4190683021
Август1140.27255.4225956100
Август2140.38955.4261220723
Август3140.50625.4296486357
Август4140.62255.4331761326
Август5140.73875.4367052982
Август6140.85465.4402367851
Август7140.97025.4437711745
Август8141.08565.4473089863
Август9141.20075.4508506867
Август10141.31575.4543966955
Август11141.43035.4579473912
Август12141.54485.4615031166
Август13141.65915.4650641822
Август14141.77315.4686308707
Август15141.88695.4722034391
Август16142.00065.4757821220
Август17142.11405.4793671340
Август18142.22725.4829586711
Август19142.34025.4865569133
Август20142.45305.4901620256
Август21142.56575.4937741595
Август22142.67815.4973934544
Август23142.79045.5010200385
Август24142.90245.5046540300
Август25143.01435.5082955377
Август26143.12605.5119446617
Август27143.23755.5156014948
Август28143.34885.5192661222
Август29143.45995.5229386226
Август30143.57095.5266190687
Август31143.68175.5303075275

Решение

Внимание: Непълно решение

The supplied key gives complete primary solutions for G1.1–G1.9, but prints only the heading “Alternative solution in COM frame” without that alternative derivation.


Оригинал в Архива: team_bg.pdf · официални решения: team_sol.pdf · допълнителни данни: team.pdf · допълнителни данни: ioaa-qp-team.pdf