微積分應用之人造衛星問題(2)

2009-02-10 9:40 pm
設地球為球體,半徑R,地表重力加速度g,(考慮牛頓萬有引力)
若太空中某人造衛星(衛星A)離地心O最遠處與地心距離 L (L>R)
此時切線速度vo(沒有法向速度).OA與地球表面交點為B, 參考圖
設運動過程中A只受地球萬有引力作用
(空氣阻力,月球引力,太陽引力均忽略不計), 問
1. 衛星A移動曲線的方程式為何?
2. 若衛星A繞地球旋轉(不墬地),問週期 T=?
3. 若衛星A之軌道為圓形,則 vo=? (設為vc)
4. 若衛星A會離開地球(不再繞地球跑),則 vo最小為vc之幾倍?
(另問A離開地球過程之移動曲線是什麼樣的曲線呢?)

圖片參考:http://s585.photobucket.com/albums/ss296/mathmanliu/satellite.gif


註:類題http://hk.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=7009021000592
更新1:

答案請以 R,L, g, vo 表示!

回答 (4)

2009-02-12 1:01 am
✔ 最佳答案
請問...我把答案打成PDF檔(因為有圖還有用方程式編輯器)
要怎麼回答你咧
可以給我E-MAIL
我寄給你嗎

2009-02-11 20:02:17 補充:
1.
假設位置向量為 r 是t的變數,θ 也是時間的變數
∵衛星運動的角動量H=constant
∴H=mVo L=mr^2 θ ̇=constant
對A(satellite)取自由體圖
(我有畫可是無法貼圖...sorry)
↑r direction、→θ direction
∑F_r =ma_r⟹-F_g=mr" ̈-mrθ' ̇^2…(1)
∑F_θ =ma_θ⟹0=2mr ̇θ' ̇+mrθ" ̈

2009-02-11 20:02:34 補充:
∵mr^2 θ' ̇=constant ∴令r^2 θ' ̇=constant=h=Vo L⟹θ' ̇=dθ/dt=h/r^2 …(2)
r' ̇=dr/dt=dr/dθ×dθ/dt=h/r^2 dr/dθ=-h (d 1/r)/dθ
r"̈=(dr' ̇)/dt=d/dt (-h (d 1/r)/dθ)=d/dθ dθ/dt (-h (d 1/r)/dθ)
 =-h^2/r^2 (d 1/r)/〖dθ〗^2 …(3)
(2)、(3)代入(1)

2009-02-11 20:02:48 補充:
又∵F_g=GMm/r^2 ∴(1)⟹-GMm/r^2 =m(-h^2/r^2 (d 1/r)/〖dθ〗^2 )-mr(h/r^2 )^2
⟹(D^2+1) 1/r=GM/h^2 ⟹1/r=GM/h^2 +C_1 cos(θ-θ_0 ) ∵θ_0=0
∴1/r=GM/h^2 +C_1 cosθ…(4)

軌跡方程式⟹r(θ)=h^2/(GM+h^2 C_1 cosθ )=[(Vo L)^2]/[g/R+(Vo L)^2 C_1 cosθ ]…Ans for 1.

2009-02-11 20:03:58 補充:
dθ/dt=h/r^2 ⟹dt= (r^2 dθ)/h=2dA/h
T= 2/h ∫_RdA…Ans for 2.

2009-02-11 20:05:12 補充:
3.
當θ=θ_0=0時,r=L
由(4)可知
C_1=1/L-GM/(v_0 L)^2
根據第1小題答案可知
當C_1=0 時r=constant⟹軌跡為圓形
∴Vo=Vc=√((gR^2)/L)…Ans for 3.

2009-02-11 20:07:58 補充:
4.
1/r=GM/h^2 +C_1 cosθ
定義e= C_1/(GM⁄h^2 )
1/r=GM/h^2 (1+e cosθ )→此為圓錐曲線(conic section)的方程式,e called eccentricity離心率(恆正)
當r⟶∞時,相當於脫離地球軌道
∴e cosθ=-1 (π/2<θ<3π/2)
當θ=π→e=1→為拋物線
(為脫離軌道時之最小值)
當θ=0→1/r=2GM/h^2 ⟹1/L=(2gR^2)/(Vo L)^2 ⟹Vo=√((2gR^2)/L)
∴Vo/Vc =√2…Ans for 4.

2009-02-11 20:10:55 補充:
Sorry...我等等有事不在
明天開始假期就沒了...^^"
又不想辛苦解出來的答案
沒有提供給大大知道
所以只好貼上來了
雖然這樣很難看
還望大大敬請見諒!
如果需要PDF檔再留mail給我吧
圖文並茂喔~^^

2009-02-13 01:32:18 補充:
謝謝菩提大師提供的空間
我把它存成圖片放在網路上了

題目和第一題解答:
http://i573.photobucket.com/albums/ss175/isa146/Questionsforsatellite1.jpg?t=1234459702

第二~第四題解答
http://i573.photobucket.com/albums/ss175/isa146/Questionsforsatellite2.jpg?t=1234459850

希望各位大大不吝賜教~^~^

2009-02-14 23:44:57 補充:
http://i573.photobucket.com/albums/ss175/isa146/Questionsforsatellite1-1.jpg?t=1234626167
呵...第一題回代出錯,謝謝大師糾正

2009-02-14 23:50:53 補充:
http://i573.photobucket.com/albums/ss175/isa146/Questionsforsatellite2-1.jpg?t=1234626594
請問...第二題週期有哪裡推錯嗎
請大師指教

2009-02-18 02:58:43 補充:
恩恩...了解了
這是更正版,第一題和第二題有更正

第一題解答
http://i573.photobucket.com/albums/ss175/isa146/Questionsforsatellite1-2.jpg?t=1234897011

第二~第四題解答
http://i573.photobucket.com/albums/ss175/isa146/Questionsforsatellite2-2.jpg?t=1234897102
參考: Meself+Beer Johnston課本(動力)
2009-02-11 8:56 pm
有意思的難題,想看看高手們的解法!
2009-02-11 7:38 pm
是橢圓軌道,但衛星移動時不是等速率,so,不是用周長算的!

2009-02-14 15:45:00 補充:
1. 雖然有點小錯但整體還是蠻好的!
2. 週期T沒求出來!

2009-02-17 13:02:26 補充:
答案請以 R,L, g, vo 表示!
2009-02-11 7:23 pm
2.若衛星A繞地球旋轉

橢圓軌道算嗎?


收錄日期: 2021-04-30 13:02:43
原文連結 [永久失效]:
https://hk.answers.yahoo.com/question/index?qid=20090210000016KK05393

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