Гравитационный поезд

Дипломная работа - Физика

Другие дипломы по предмету Физика

? частей:

) Первая часть заключается в нахождении максимального расстоянии видимости l поверхности Земли человека управляющего поездом. (l=BO=CO)

) Вторая часть задачи состоит о нахождении максимального расстояния L видимости двух человек управляющими поездами, которые едут навстречу друг другу. Именно то расстояние, при котором один человек увидит голову другого. (L =BC)

Высота человека над поверхностью земли h=3 м. Радиус Земли R=6371000 м.

Решение первой части:

Рассматриваем треугольник ABO. BO перпендикулярен AO, т. к. BO - касательная.

Значит треугольник ABO - прямоугольный.

Расстояние l найдем по теореме Пифагора:

l =; (2.1.1)

l =; (2.1.2)

 

Т.к. - мало, то им можно пренебречь.

 

l =; (2.1.3)

l ===6183 м; (2.1.4)

l =6183 м. (2.1.5)

 

Вывод: человек управляющего поездом, находясь при этом на высоте h=3 м, может максимально видеть поверхность Земли на расстоянии l =6183 м.

Решение второй части:

Т.к. высота нахождения двух этих людей одинакова, то расстоянии видимости другого будет равная расстоянию первому человеку.

Значит расстоянии видимости L двух человек будет равняться двум расстояниям видимости одного человека l:

 

L=2 l; (2.1.6)

Т.к l =; (2.1.7)

То L=2*=2*=12366 м; (2.1.8)

L=12366 м. (2.1.9)

Вывод: вследствие кривизны земной поверхности, два человека управляющими поездами, которые едут навстречу друг другу, могут увидеть друг друга на максимальном расстоянии L=12366 м.

2.2 Задача о нахождении времени путешествия поезда по тоннелю

 

Покажем, что при прочих равных условиях (в отсутствие трения качения и сопротивления воздуха) время путешествия равное 42 мин 12 сек независимо от того, проходит тоннель через центр Земли или нет. И насколько глубоко от поверхности земли находится центр тоннеля.

Пусть x(t) быть координатой по туннелю с происхождением, помещенным в середине, r расстояние от поезда до центра Земли. Тогда

= r cos ?; (2.2.1)

 

где ? является углом между направлением к середине туннеля, и вертикальным направлением.

Сила гравитации, действующая на поезд равна

 

F = ? ? mM(r) r; (2.2.2)

 

где m - масса поезда,

 

= ?; (2.2.3) = ?; (2.2.4)

= ? dV = ?dSdr; (2.2.5)

= ? dV= ?dSdr; (2.2.6)=; (2.2.7)=; (2.2.8)

 

Подставим последнее в dF и dF:

 

dF = ? = ? ; (2.2.9)

dF= ? = ? ; (2.2.10)

 

Какие любые две противоположные точки мы не взяли на произвольной внутреннем слое, по отношению к поезду, их результат гравитационного воздействия на поезд равен нулю.

Т. о., при учете воздействия земли на поезд, нужно учитывать ту часть земли которая находится ниже поезда

М(r)- масса части Земли ниже поезда, ? - гравитационная постоянная и она равна ?=6,67*10 Н м/ кг. Теперь мы имеем

М(r) = (4?/3)?r; (2.2.11) где ? - является плотностью Земли и она равна ? = 5520 кг/м. Заменим этим выражение для М(r), мы получаем

= ????mr; (2.2.12)

Мы только нуждаемся в компоненте этой силы, действующей по туннелю; остальные дается компенсацию реакцией рельса. Компонент по туннелю

cos ?; (2.2.13)

где ? - означает то же самое как в (2.2.1).

 

Таким образом, уравнение движения (Второй Закон Ньютона) и (2.2.1) дает

 

mx= F cos ? =????mr cos ? = ????mx; (2.2.14)

 

где мы выбрали минус признак от очевидных физических рассмотрений.

Таким образом, наш поезд ведет себя как линейный осциллятор

 

x= - ?x ; (2.2.15)

? =???; (2.2.16)

 

Нахождение периода

 

T = 2?/ ?; (2.2.17)

 

В данной задаче вопрос состоит о нахождении времени прохождения поезда по тоннелю, значит, это время t будет равно:

 

t = T/2 = ?/ ?; (2.2.18)

Таким образом

 

t = 42 мин 12 сек. (2.2.19)

 

Вывод: численными расчетами убедились, что время путешествия по тоннелю (в отсутствие трения качения и сопротивления воздуха) равное 42 мин 12 сек независимо от того, проходит тоннель через центр Земли или нет [4,6].

 

2.3 Задача о нахождении максимальной скорости поезда в тоннеле

 

Суть задачи: вывести формулу для максимальной скорости прохождения поезда в тоннеле (в т. ч. если тоннель проходит точно через центр Земли) и найти ее численное значение.

 

 

Способ: через уравнение движения

Запишем уравнение движения поезда в тоннели

 

x= - ?x ; (2.3.1)

x = A cos ?t; (2.3.2)(t) = v= - A ? sin ?t; (2.3.3)

Т. к. ?=, для максимальной скорости ? sin ?t ? = 1,

по теореме Пифагора A=,

то v=; (2.3.4)

v=; (2.3.5)

g = ???R; (2.3.6)

v =; (2.3.7)

 

Максимальная скорость поезда будет в середине тоннеля, когда r = r,

v= 7900 метров в секунду. (2.3.8)

 

 

Теперь найдем максимальное ускорение поезда в тоннеле

 

v(t) = a(t) = - A ? cos ?t; (2.3.9)

Т.к. ? = ???, A=,? cos ?t ? = 1, g = ???R,

то a (t) = ???; (2.3.10)

a (t) = ; (2.3.11)

учитывая, что r = r, получим

 

a (t) = = R = g; (2.3.12)

 

Таким образом, максимальное ускорение, которое приобретет поезд, будет равное g.

Способ: через З.С.Э.

 

F(r) = - (2.3.13)

 

из (2.3.13) нужно найти

 

= ; (2.3.14)

 

Зная F(r) = ????mr, получим

 

E(r) = ????m+ c, где c=const; (2.3.15)

E(r) = ???m- c; (2.3.16)

E(R) = -? (2.3.17)

Т.к. M=, (2.3.18)

То E(R) = ????mR; (2.3.19)

 

В (2.3.16) вместо r поставим R:

E(R) = ???m- c; (2.3.20)

 

Теперь приравняем (2.3.19) с (2.3.20) получим

 

????mR= ???m- c; (2.3.21)

c = ???m(+ R); (2.3.23)

c = ???m R; (2.3.24)

c = gR; (2.3.25)

E(r=R) = E(r= r) = ; (2.3.26)

E(r=R) = ???m - gR = ???m - gR + ; (2.3.27)

 

- = ; (2.3.28)

; (2.3.29)

= (-); (2.3.30)

=; (2.3.31)

 

Т.к. и в первом способе максимальная скорость поезда будет в середине тоннеля, когда r = r, значи?/p>