Mục lục bài họcĐang ở d06-b4
← AP Physics 1
0/32 bài đã học xong
Chương 6 · Unit 6 — Energy and Momentum of Rotating Systems · Bài 4/4 của chương · bài 24/32 của AP Physics 1

Orbits and Satellites: Kepler's Laws and Orbital Energy

Quỹ đạo và vệ tinh: định luật Kepler và năng lượng quỹ đạo
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

Circular orbits: gravity is the centripetal force

A satellite in a circular orbit has only one force on it, so the free-body diagram is a single arrow toward the planet's centre. Setting that gravitational force equal to $mv^2/r$:

$$\frac{GMm}{r^2}=\frac{mv^2}{r}\ \Longrightarrow\ v=\sqrt{\frac{GM}{r}},\qquad T^2=\frac{4\pi^2}{GM}r^3$$

The mass of the satellite cancels: a screw and a space station in the same orbit move at the same speed. The second result is Kepler's third law — period squared is proportional to orbital radius cubed. Higher orbits are slower: with $GM_E\approx4\times10^{14}$ m³/s², a satellite at $r=6{,}8\times10^6$ m (about $400$ km up) moves at $v=\sqrt{4\times10^{14}/6{,}8\times10^6}\approx7{,}7$ km/s and circles the Earth every $92$ minutes.

Orbital energy

With $U=-\frac{GMm}{r}$ and $K=\tfrac12mv^2=\frac{GMm}{2r}$, the total mechanical energy of a circular orbit is

$$E=K+U=-\frac{GMm}{2r}$$

It is negative because the satellite is bound. Raising a satellite to a higher orbit lowers its speed but raises its total energy — the rocket must do positive work even though the satellite ends up slower. $E=0$ is the escape condition.

Elliptical orbits: two conservation laws

Gravity is a central force: it points at the planet, so it exerts no torque about the planet and angular momentum $L=mvr_\perp$ is conserved. Combined with energy conservation, this explains Kepler's other two laws: the orbit is an ellipse with the planet at one focus, and the satellite is fastest at the closest point (perigee) and slowest at the farthest (apogee), sweeping out equal areas in equal times. Compare closest and farthest points with $mv_pr_p=mv_ar_a$; do not use $v=\sqrt{GM/r}$ there, which holds only for circles.

Giải thích tiếng Việt

Quỹ đạo tròn: trọng lực đóng vai lực hướng tâm. Vệ tinh trên quỹ đạo tròn chỉ chịu một lực, sơ đồ vật tự do là một mũi tên duy nhất hướng vào tâm hành tinh. Đặt lực hấp dẫn bằng $mv^2/r$: $v=\sqrt{GM/r}$ và $T^2=\dfrac{4\pi^2}{GM}r^3$. Khối lượng vệ tinh triệt tiêu — con ốc và trạm vũ trụ cùng quỹ đạo thì cùng tốc độ. Kết quả thứ hai là định luật ba Kepler: bình phương chu kỳ tỉ lệ với lập phương bán kính. Quỹ đạo càng cao càng chậm: với $GM_E\approx4\times10^{14}$ m³/s², vệ tinh ở $r=6{,}8\times10^6$ m (cao khoảng $400$ km) đi $\approx7{,}7$ km/s, hết một vòng trong $92$ phút.

Năng lượng quỹ đạo: với $U=-GMm/r$ và $K=GMm/2r$, cơ năng quỹ đạo tròn là $E=-\dfrac{GMm}{2r}$ — âm vì vệ tinh bị giữ lại. Đưa lên quỹ đạo cao hơn thì tốc độ giảm nhưng cơ năng tăng: tên lửa vẫn phải sinh công dương dù vệ tinh cuối cùng chậm hơn. $E=0$ là điều kiện thoát.

Quỹ đạo elip — hai định luật bảo toàn. Trọng lực là lực xuyên tâm, luôn hướng về hành tinh nên không sinh momen so với hành tinh, momen động lượng $L=mvr_\perp$ bảo toàn. Cùng với bảo toàn năng lượng, đây là gốc của hai định luật Kepler còn lại: quỹ đạo là elip với hành tinh ở một tiêu điểm, và vệ tinh nhanh nhất ở điểm gần, chậm nhất ở điểm xa, quét diện tích bằng nhau trong thời gian bằng nhau. So sánh hai điểm này bằng $mv_pr_p=mv_ar_a$; không dùng $v=\sqrt{GM/r}$ ở đó vì công thức ấy chỉ đúng cho đường tròn.

Ví dụ — sao chổi ở điểm gần và điểm xa Mặt Trời

Một sao chổi quay quanh Mặt Trời theo quỹ đạo elip. Ở điểm gần nhất nó cách Mặt Trời $r_p=1{,}0\times10^{11}$ m và đi $40$ km/s; điểm xa nhất cách $r_a=5{,}0\times10^{11}$ m. (a) Tốc độ tại điểm xa nhất. (b) Động năng ở điểm xa bằng bao nhiêu lần động năng ở điểm gần? (c) Thế năng ở điểm nào lớn hơn?

Giải.

(a) Lực hấp dẫn xuyên tâm nên không sinh momen so với Mặt Trời: momen động lượng bảo toàn. Ở hai điểm cực, vận tốc vuông góc với bán kính nên $r_\perp=r$:

$$mv_pr_p=mv_ar_a\ \Longrightarrow\ v_a=v_p\frac{r_p}{r_a}=40\cdot\frac{1{,}0}{5{,}0}=8\ \text{km/s}$$

(b) $K\propto v^2$ nên

$$\frac{K_a}{K_p}=\left(\frac{8}{40}\right)^2=\frac{1}{25}$$

(c) $U=-GMm/r$ tăng khi $r$ tăng (bớt âm), nên thế năng ở điểm xa lớn hơn — đúng bằng phần động năng đã mất, vì tổng $K+U$ không đổi. Sao chổi lên dốc thế năng từ điểm gần ra điểm xa rồi lại rơi về, như một quả bóng ném lên cao.

Bẫy hay mất điểm — Quỹ đạo cao hơn thì chậm hơn nhưng năng lượng cao hơn — đề hỏi “để chuyển lên quỹ đạo cao hơn tên lửa phải làm gì với cơ năng”, đáp là tăng, dù vệ tinh chậm lại. $v=\sqrt{GM/r}$ chỉ cho đường tròn: quỹ đạo elip phải dùng bảo toàn $L$ và bảo toàn năng lượng. Không có “lực ly tâm” giữ vệ tinh: sơ đồ vật tự do chỉ có một mũi tên hấp dẫn hướng vào tâm; vệ tinh không rơi xuống vì đang có vận tốc tiếp tuyến đủ lớn, không phải vì có lực nào cân bằng trọng lực. Và phi hành gia “không trọng lượng” vì đang rơi tự do cùng con tàu.
Phải nhớ — Quỹ đạo tròn là bài lực hướng tâm với đúng một lực: $v=\sqrt{GM/r}$, $T^2\propto r^3$, khối lượng vệ tinh triệt tiêu. Cơ năng $E=-GMm/2r$ âm vì bị giữ; lên cao thì chậm hơn nhưng năng lượng cao hơn. Quỹ đạo elip thì trọng lực không sinh momen, nên $L$ bảo toàn và vệ tinh nhanh nhất ở điểm gần. Hai định luật bảo toàn, không phải công thức đường tròn, mới giải được elip.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Unit 6 — Energy and Momentum of Rotating Systems gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →