Transcript lec14.ppt

‫גרביטציה‬
‫שביל החלב‪ ,‬הגלקסיה שלנו‪ ,‬היא אוסף של אבק‪ ,‬גז‪ ,‬כוכבי לכת‬
‫ומיליארדים של כוכבים‪ ,‬ביניהם השמש שלנו‪ .‬הכוח המחזיק את‬
‫הגלקסיה ביחד הוא אותו כוח המחזיק אותנו לכדור הארץ‪ :‬כוח‬
‫הגרביטציה‪.‬‬
‫כוח זה אחראי גם לחורים השחורים‪ ,‬גופים כה דחוסים שאפילו אור‬
‫אינו יכול להימלט מפניהם‪.‬‬
‫אם כך‪ ,‬כיצד מגלים כוכב כזה?‬
‫בשביל החלב השמש היא‬
‫קרובה לקצה‪,‬‬
‫כ‪ 26000-‬שנות אור‬
‫מהמרכז (הנראה‬
‫במזל ‪.)Sagittarius‬‬
‫הגלקסיה שלנו היא חברה בקבוצת גלקסיות‬
‫מקומיות הכוללת את גלקסיית אנדרומידה‬
‫(במרחק ‪ 2.3×106‬שנות אור‪ ,‬היא בקושי‬
‫נראית לעין) והענן המאג'לני הגדול‪.‬‬
‫מערכת השמש‬
‫מסלול כוכב הלכת נראה מסובך‬
‫כשצופים עליו מכדור הארץ‪.‬‬
‫התמונה משמאל מראה את‬
‫מסלולו של כוכב הלכת מאדים‪.‬‬
‫קפלר (‪:)1595‬‬
‫מודל למערכת השמש‬
‫חוקי קפלר (‪)1606‬‬
‫חוק ‪ I‬של קפלר‪:‬‬
‫כל כוכבי הלכת נעים במסלולים אליפטיים כאשר השמש נמצאת‬
‫באחד המוקדים‪.‬‬
‫‪m‬‬
‫‪r‬‬
‫‪M‬‬
‫‪‬‬
‫‪ea‬‬
‫‪ea‬‬
‫‪a‬‬
‫המסלול נקבע ע"י האקסצנטריות‬
‫‪ e‬וחצי הציר הראשי ‪ .a‬המרחק‬
‫בין המוקד ומרכז האליפסה הוא‬
‫‪ e‬ולמעגל ‪ .e = 0‬לכוכבי לכת‬
‫ערכי ‪ e‬לא גדולים; מסלול כדור‬
‫הארץ הוא כמעט מעגל‪:‬‬
‫‪.e = 0.0167‬‬
‫‪m‬‬
‫‪r‬‬
‫‪M‬‬
‫‪‬‬
‫‪ea‬‬
‫‪ea‬‬
‫‪a‬‬
‫היפרבולה‬
‫פרבולה ‪e = 1‬‬
‫‪0 < e <1‬‬
‫אליפסה‬
‫מעגל ‪e = 0‬‬
‫‪e>1‬‬
‫חוק ‪ II‬של קפלר‪:‬‬
‫הווקטור המחבר בין כוכב לכת לשמש מתווה שטחים שווים בזמנים‬
‫שווים‪.‬‬
‫שטח המשולש ‪ A‬קרוב לשטח הגזרה‬
‫שמתווה הרדיוס בזמן ‪.t‬‬
‫‪r‬‬
‫‪m‬‬
‫‪‬‬
‫‪(r)( rθ) 1 2‬‬
‫‪ΔA ‬‬
‫‪ r Δθ‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪dA 1 2 dθ 1 2‬‬
‫‪ r‬‬
‫‪ r ω‬‬
‫‪dt 2 dt 2‬‬
‫‪r‬‬
‫‪‬‬
‫‪M‬‬
p
p
m
r
M

pr
dA 1 2 dθ 1 2
L
 r
 r ω
dt 2 dt 2
2m
L  rp   (r)(mv  )  (r)(m ω r)  mr 2ω
‫חוק השטחים השווים אומר שהתנע הזוויתי הוא‬
.‫גודל קבוע‬
L dA

2m dt
‫חוק ‪ II‬של קפלר אומר שהתנע הזוויתי הוא גודל קבוע‪.‬‬
‫מאידך‪ ,‬שימור התנע הזוויתי אומר שהווקטור ‪ r‬מתווה‬
‫שטחים שווים בזמנים שווים‪.‬‬
‫החוק קובע (למשל) שקרוב לשמש‪ ,‬כוכבי לכת נעים מהר יותר‬
‫מאשר רחוק מהשמש‪.‬‬
‫חוק ‪ III‬של קפלר‬
‫ריבוע זמן המחזור של כוכב לכת בתנועה סביב השמש‬
‫פרופורציוני לחזקה השלישית של חצי הציר הראשי של‬
‫המסלול‪.‬‬
a
T
Planet
(1010 m)
(y)
Mercury 5.79
0.241
Venus
10.8
0.615
Earth
15.0
1.00
Mars
22.8
1.88
Jupiter 77.8
11.9
Saturn 143
29.5
Uranus 287
84.0
Neptune 450
165
Pluto
590
248
T2/a3
(1024y2/m3)
2.99
3.00
2.96
2.98
3.01
2.98
2.98
2.99
2.99
‫חוק הגרביטציה של ניוטון‬
‫מתוך חוקי קפלר‪ ,‬שתארו את מסלול תנועת כוכבי הלכת סביב‬
‫השמש‪ ,‬הסיק ניוטון שכל שני גופים מושכים אחד את השני בכוח ‪F‬‬
‫שגודלו‬
‫‪m1m 2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪FG‬‬
‫‪G= 6.67x10-11 N·m2 / kg2‬‬
‫‪r‬‬
‫‪m1‬‬
‫‪-F‬‬
‫‪ G‬הוא קבוע הגרביטציה‪ .‬קטנותו מסבירה מדוע יש‬
‫צורך במסות גדולות כדי שנרגיש אותו‪ .‬כך מרגישים‬
‫שתפוח נמשך לכדור הארץ ולא מרגישים את כוח‬
‫המשיכה בין שני תפוחים‪.‬‬
‫‪r‬‬
‫‪F‬‬
‫‪m2‬‬
‫הגוף הראשון מושך את השני כפי שהשני‬
‫מושך את הראשון‪ .‬הם זוג פעולה‪-‬תגובה‪.‬‬
‫‪m1‬‬
‫‪-F‬‬
‫‪r‬‬
‫הכוח בין שני גופים אינו משתנה עקב נוכחות גוף‬
‫שלישי אפילו אם הוא נמצא בין שני הגופים‪.‬‬
‫‪F‬‬
‫‪m2‬‬
‫כאמור ‪ G‬קובע את גודל הכוח‪ .‬אילו הוא היה גדול פי ‪ ,10‬היינו‬
‫מתמוטטים על הרצפה‪ .‬ואילו היה קטן פי ‪ ,10‬כדור הארץ היה מאבד‬
‫את האטמוספרה שלו‪.‬‬
‫חוק ‪ III‬של קפלר‪-‬ביקור חוזר‬
‫ריבוע זמן המחזור של כוכב לכת בתנועה סביב השמש‬
‫פרופורציוני לחזקה השלישית של חצי הציר הראשי של‬
‫המסלול‪.‬‬
‫‪r‬‬
‫‪2π‬‬
‫‪ω‬‬
‫‪T‬‬
‫‪ 3‬‬
‫‪r‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪Mm‬‬
‫‪‬‬
‫‪mω‬‬
‫‪r‬‬
‫‪2‬‬
‫‪r‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪2  4π‬‬
‫‪T ‬‬
‫‪ GM‬‬
‫‪‬‬
‫‪G‬‬
‫כוח הכובד על גוף שמסתו ‪ m‬בגובה ‪ h‬היא ‪–GMm /(R+h)2‬‬
‫‪ ,‬כאשר ‪ M‬ו‪ R-‬הם מסת ורדיוס כדור הארץ‪ .‬איפה ‪mg‬‬
‫בנוסחה זו?‬
‫‪h 2‬‬
‫) ‪(1 ‬‬
‫‪R‬‬
‫‪GMm‬‬
‫‪R2‬‬
‫‪‬‬
‫‪GMm‬‬
‫‪2‬‬
‫)‪(R  h‬‬
‫נניח כי ‪h<<R‬‬
‫‪F  G Mm‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪mg‬‬
‫‪R2‬‬
‫‪F‬‬
‫‪ F‬הוא הכוח בין שני גופים נקודתיים‪ .‬ניתן‬
‫להשתמש בנוסחה הזאת כאשר המרחק בין הגופים‬
‫גדול מאוד ביחס לרדיוסם‪.‬‬
‫‪m1m 2‬‬
‫‪2‬‬
‫ואם התנאי הזה לא קיים (כמו בדוגמה‬
‫בצד שמאל)?‬
‫התשובה‪ :‬קליפה כדורית של חומר‬
‫מושכת חלקיק הנמצא מחוץ לקליפה‬
‫כאילו כל מסתה מרוכזת במרכזה‪ .‬והיא‬
‫מפעילה שום כוח על גוף שנמצא בתוכה‪.‬‬
‫‪r2‬‬
‫‪r1‬‬
‫‪r‬‬
‫‪FG‬‬
‫גרביטציה על פני כדור הארץ‬
‫נניח שכדור הארץ הוא כדור אחיד שמסתו ‪ .M‬על גוף שמסתו ‪m‬‬
‫במרחק ‪ r‬ממרכז כדור הארץ פועל כוח משיכה הניתן ע"י‬
‫‪Mm‬‬
‫‪r2‬‬
‫‪a g  GM/r2‬‬
‫תאוצת הגוף ‪ ag‬תהיה‬
‫מקום‬
‫‪F  ma g  G‬‬
‫גובה(ק"מ)‬
‫)‪ag (m/s2‬‬
‫פני כדור הארץ‬
‫הר האוורסט‬
‫‪0‬‬
‫‪8.8‬‬
‫‪9.83‬‬
‫‪9.80‬‬
‫כדור פורח (שיא)‬
‫‪36.6‬‬
‫‪9.71‬‬
‫ספינת חלל‬
‫לווין תקשורת‬
‫‪400‬‬
‫‪35700‬‬
‫‪8.70‬‬
‫‪0.225‬‬
‫יש להבדיל בין חישוב התאוצה ‪ ag=GM/r2‬לתאוצת הנפילה‬
‫החופשית ‪ .g‬להבדל שלוש סיבות‪:‬‬
‫‪ .1‬כדור הארץ איננו כדור אחיד‪.‬‬
‫התלות הרדיאלית של צפיפות כדור‬
‫הארץ היא כפי השרטוט‪ .‬והצפיפות‬
‫של הקליפה משתנה ממקום למקום‬
‫ולכן ‪ g‬משתנה מאזור לאזור‪.‬‬
‫ליבה‬
‫פנימית‬
‫ליבה חיצונית‬
‫מעטפת‬
‫‪ .2‬הארץ אינה כדורית‬
‫בגלל סיבוב סביב הקטבים‪ ,‬כדור הארץ היא שטוחה‬
‫מעט‪ .‬הפער בין רדיוס קו המשווה והמרחק בין‬
‫הקטבים הוא ‪ 21‬ק"מ‪ ,‬ותאוצת הנפילה החופשית ‪g‬‬
‫בקטבים גדולה יותר מאשר על קו המשווה‪.‬‬
‫‪ .3‬הארץ מסתובבת‬
‫הודות לסיבוב הארץ‪ ,‬כל גוף הנמצא על כדור הארץ (חוץ מאשר‬
‫בקטבים) סובב במעגל‪ .‬לכן יש לו תאוצה צנטריפטלית ‪ ar‬המכוונת‬
‫לציר הסיבוב‪ .‬תאוצה זו מכוונת כלפי מרכז כדור הארץ רק אם הגוף‬
‫נמצא על קו המשווה‪.‬‬
‫ארגז שמסתו ‪ m‬יושב על מאזניים ב על קו המשווה‪ .‬במבט מהציר‬
‫הצפוני‪:‬‬
‫הכוחות על הארגז הם‬
‫‪ .1‬הכוח הנורמלי ‪N‬‬
‫‪ .2‬כוח הכובד ‪mag‬‬
‫‪N – mag = -mar = -m2R‬‬
‫הכוח ‪ N‬הוא המשקל ‪ mg‬שמראים המאזניים‬
‫‪mg = mag - m2R‬‬
‫‪g = ag - 2R‬‬
‫על קו המשווה‪  = 2/24h , R = 6.37 × 106 m ,‬וההבדל בין ‪ ag‬ו‪g-‬‬
‫הוא ‪ 0.034 m/s2‬לעומת ‪.g=9.8 m/s2‬‬
‫הרכבת כוחות גרביטציוניים‬
‫כאשר נתונה מערכת של ‪ n‬גופים‪ ,‬הכוח הפועל על כל גוף הוא הסכום‬
‫הווקטורי של הכוחות הנובעים מכל הגופים האחרים‪ .‬הכוח הפועל על‬
‫גוף מספר ‪( 1‬לדוגמה) הוא‬
‫‪F1,net = F12 + F13 + F14 + ….+ F1n = F1i‬‬
‫כלומר הכוחות שפועלים בין שנע גופים אינם מושפעים מנוכחות‬
‫הגופים האחרים‪.‬‬
‫ובהתחלקות רציפה של מסה‪:‬‬
‫‪F1 = dF‬‬
‫דירגו את הכוחות הפועלים על‬
‫)‪(b‬‬
‫)‪(a‬‬
‫)‪(c‬‬
‫)‪(d‬‬
‫אנרגיה פוטנציאלית גרביטציונית‬
‫נתונות שתי מסות ‪ M‬ו‪ m-‬הנמצאות במרחק ‪ R‬אחת‬
‫מהשנייה‪ .‬העבודה הדרושה להרחיק אותם‬
‫למרחק אינסופי אחת‬
‫‪‬‬
‫מהשנייה היא‬
‫‪‬‬
‫‪W  F(r)  d r‬‬
‫‪R‬‬
‫‪dr‬‬
‫‪m‬‬
‫‪F‬‬
‫‪F(r)  dr  G Mm‬‬
‫‪dr‬‬
‫‪2‬‬
‫‪r‬‬
‫‪1‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪GMm‬‬
‫‪W  GMm 2 dr  ‬‬
‫‪R‬‬
‫‪r‬‬
‫‪R‬‬
‫‪ΔU   W‬‬
‫‪U  U  W‬‬
‫‪R‬‬
‫האפס של ‪ U‬נמצא ב ∞ = ‪ .r‬מדוע?‬
‫‪GMm‬‬
‫‪U‬‬
‫‪R‬‬
‫‪M‬‬
‫נניח שמעבירים מסה ‪ m‬במסלול ‪ ABCDEF‬בשדה‬
‫גרביטציה של ‪.‬‬
‫‪F‬‬
‫‪D‬‬
‫‪E‬‬
‫‪C‬‬
‫‪B‬‬
‫‪A‬‬
‫}‬
‫}‬
‫‪WAF = WAB +WBC + WCD + WDE + WEF‬‬
‫‪=0‬‬
‫‪=0‬‬
‫העבודה לאורך המסלול ‪ ABCDEF‬שווה לעבודה לאורך הקו ישר ‪:AF‬‬
‫‪WAF = WAB + WCD + WEF‬‬
‫כל מסלול ניתן לחלוקה לקטעים מקבילים לכוח ולקטעים מאונכים לו‪.‬‬
‫אין עבודה לאורך הקטעים המאונכים לכוח‪ .‬לכן העבודה שעושה הכוח‬
‫הכובד אינה תלויה במסלול‪ .‬הכוח הגרביטציוני הוא כוח משמר‪.‬‬
‫האנרגיה הפוטנציאלית של מערכת של שני גופים הנמצאים‬
‫במרחק ‪ r‬אחד מהשני היא‬
‫‪Mm‬‬
‫‪U  G‬‬
‫‪r‬‬
‫במערכת הכוללת ‪ n‬גופים האנרגיה‬
‫הפוטנציאלית היא סכום האנרגיות‬
‫הפוטנציאליות של הזוגות‪.‬‬
‫במקרה של ‪ 3‬מסות‪:‬‬
‫‪m1m 2 m1m3 m 2 m3‬‬
‫(‪U  G‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫)‬
‫‪r13‬‬
‫‪r12‬‬
‫‪r23‬‬
‫‪mi m j‬‬
‫‪rij‬‬
‫‪n‬‬
‫‪n‬‬
‫‪‬‬
‫‪U  G‬‬
‫‪i 1 ji‬‬
‫‪r12‬‬
‫‪m2‬‬
‫‪m1‬‬
‫‪r23‬‬
‫‪r13‬‬
‫‪m3‬‬
‫מהירות הבריחה‬
‫ניתן לשלוח גוף שמסתו ‪ m‬מכוכב שמסתו ‪ M‬כך שהגוף משתחרר מכוח‬
‫המשיכה של הכוכב‪ .‬כדי לעשות זאת יש לתת לגוף אנרגיה קינטית לא‬
‫פחות מהפרש האנרגיה הפוטנציאלית בין מרחקו ההתחלתי ‪ R‬ממרכז‬
‫הכוכב לבין מרחק אין‪-‬סוף מהכוכב‪ .‬כלומר‪ ,‬יש לתת לו מהירות‬
‫התחלתית לפי‬
‫‪1‬‬
‫‪mM‬‬
‫‪2‬‬
‫‪K  U  mv  (G‬‬
‫‪)0‬‬
‫‪2‬‬
‫‪R‬‬
‫והיא‬
‫‪2GM‬‬
‫‪R‬‬
‫‪v‬‬
‫קליפת כדור אחידה שמסתה ‪ M‬מושכת כאילו כל מסתה‬
‫הייתה במרכז המסה שלה‬
‫‪Rdθ‬‬
‫‪G(2 π R σ sin θ) m‬‬
‫‪2‬‬
‫)‪R sin θ  (r  Rcos θ‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪π‬‬
‫‪‬‬
‫‪U‬‬
‫‪0‬‬
‫‪s=M/4R2‬‬
‫‪‬‬
‫‪m‬‬
‫‪R‬‬
‫‪r‬‬
π
U
G(2 π R σ sin θ) m

2
2
2
R
sin
θ

(r

Rcos
θ)
0
π
 2πR Gσm
2
GMm

2
π

sin θ dθ

2
2
R

r
 2rRcos θ
0
d (cos θ)
R  r  2rR(cos θ)
2
0
GMm

2
Rdθ
2
1

1
du
R  r  2rRu
2
2
GMm

2Rr
R  r  2rRu
2
2
1
1
GMm
GMm


R  r  R  r  
2Rr
r
‫מה אומרת הפיסיקה של ניוטון על כוכבי לכת?‬
‫יש שלושה קבועי תנועה‪ :‬תנע ‪ ,P‬תנע זוויתי ‪ L‬ואנרגיה מכאנית ‪.E‬‬
‫‪L  mr ω‬‬
‫‪2‬‬
‫‪GMm m  2‬‬
‫‪E  UK ‬‬
‫‪ v‬‬
‫‪r‬‬
‫‪2‬‬
‫‪GMm m 2 2 2‬‬
‫‪‬‬
‫‪ r  r ω‬‬
‫‪r‬‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪2‬‬
‫‪GMm m 2‬‬
‫‪L‬‬
‫‪‬‬
‫‪ r ‬‬
‫‪2‬‬
‫‪r‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2mr‬‬
GMm
L2


r
2mr 2
2
GMm m 2
L
E
 r 
r
2
2mr 2
L2
2mr 2
E
GMm

r
‫לכל המסלולים בתמונה אותה‬
‫אנרגיה‪.‬‬
‫חללית נעה במסלול מעגלי שרדיוסו ‪ r‬סביב‬
‫כדור הארץ‪ .‬בנקודה ‪ P‬יורה הנווט רקטות‬
‫האטה ומקטין את האנרגיה הקינטית של‬
‫החללית‪ .‬לאיזה מסלול תיכנס החללית ומה‬
‫קורה לזמן מחזורה?‬
‫‪E   GMm‬‬
‫‪2a‬‬
‫‪2‬‬
‫‪4π‬‬
‫‪T2 ‬‬
‫‪a3‬‬
‫‪GM‬‬
‫תנאי לחור שחור‪ :‬האור אינו יכול לברוח ממנו‬
‫מהירות הבריחה‪:‬‬
‫‪2GM‬‬
‫‪R‬‬
‫‪v‬‬
‫אם ‪ ,c<v‬אזי האור אינו יכול לברוח מן הכוכב‪ .‬הכוכב הינו חור‬
‫שחור‪.‬‬
‫תנאי לחור שחור‪.R< 2GM/c2 :‬‬
‫‪ RS= 2GM/c2‬הוא נקרא "רדיוס שוורצשילד"‪.‬‬
‫המצוד אחרי חורים שחורים‬
‫מערכת בינארית היא מערכת של שני כוכבים המסתובבים סביב מרכז‬
‫מסתם‪ .‬לעתים רואים רק כוכב אחד הנע במעגל‪ .‬אור המגיע מכוכב‬
‫שכזה מראה שלכוכב מהירות של‬
‫‪ ,270 km/s‬זמן מחזור של ‪1.70‬‬
‫ימים ומסה ‪ .m1 = 6Ms‬נחשב את‬
‫המסה ‪ m2‬של הכוכב החשוך‬
‫‪m‬‬
‫‪m‬‬
‫בהנחה כי‬
‫‪r‬‬
‫‪r‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫•הם נעים במסלול מעגלי‬
‫•מרכז המסה נמצא בין הכוכבים‬
‫•הכוח הצנטריפטלי הגורם לתנועה מעגלית הוא כוח המשיכה בין‬
‫המסות‪.‬‬
‫‪1‬‬
v2
G 2 
r1
r
m2
m1
r1
r
O
r2
m2
m1  0  m 2 r
r1 
m1  m 2
vT
r1 
2π
m1  m 2
 r  r1
m2
m32
v 3T


3
.
47
M
s
2
2πG
(m1  m 2 )
m32
(6M s  m 2 )
2
 3.47 M s
m2  9.35 Ms :‫הפתרון‬
‫כאשר ‪ ,m2  9.35 Ms‬רדיוס שוורצשילד הינו‬
‫‪RS = 2G(9.35 MS)/c2 = 27.8 km‬‬
‫ואילו ‪. r2 = 4.05 × 109 m‬‬