Орбитальная станция массой 75 тонн представляет собой полый цилиндр с внешним диаметром 5 м, внутренним диаметром 4,5 м при длине 10 метров. Для комфортного проживания космонавтов на станции создаётся «искусственная» гравитация, возникающая в результате закручивания станции относительно её продольной оси. Станция приводится во вращение четырьмя ракетными двигателями тягой 100 Н каждый, расположенными на внешней поверхности станции и направленными по касательной к ней. Конструкция двигателей позволяет им работать продолжительное время. С какой угловой скоростью нужно закрутить станцию, чтобы создать внутри гравитацию, равную половине земной? Сколько для этого потребуется времени? Вернется ли космонавт на поверхность станции в инерциальной системе отсчёта, если подпрыгнет по нормали к ней в установившемся режиме вращения? Если вернется, то в какую точку, относительно исходной? Ростом космонавта можно пренебречь. Ответ пояснить.
Дополнительная информация. Момент инерции полого однородного цилиндра относительно продольной оси:

где R — внешний радиус цилиндра, r — внутренний радиус цилиндра, m — масса цилиндра.
Решение. Запишем связь центростремительного ускорения и угловой скорости
где r — внутренний радиус станции. Согласно условию задачи:
где g — ускорение свободного падения на Земле. Тогда
Отсюда

Определим момент инерции станции относительно продольной оси, используя формулу для полого однородного цилиндра:
где m — масса станции, R — внешний радиус станции, r — внутренний радиус станции. Численно:

Пользуясь основным уравнением динамики вращательного движения, определим угловое ускорение станции:
где M — момент внешних сил (суммарной тяги ракетных двигателей), который можно найти как:
где P — тяга одного двигателя, n — число двигателей, R — внешний радиус станции.
Окончательно, для углового ускорения имеем:
Поскольку станция находится в космосе, то в период простоя двигателей потеря скорости не происходит (т. к. отсутствуют внешние силы). Тогда угловую скорость орбитальной станции можно найти как:
где T — время работы. Имеем:

Откуда время работы двигателей:

3. Космонавт вернется в точку, которая будет впереди по ходу вращения от исходной. Скорость космонавта в момент прыжка складывается из тангенциальной и нормальной составляющих. После отрыва от поверхности станции на космонавта не будут действовать никакие силы, поэтому он будет двигаться по прямолинейной траектории до соприкосновения с поверхностью станции. А исходная точка поверхности будет вращаться под ним со скоростью, равной тангенциальной составляющей. Таким образом, космонавт будет двигаться с большей скоростью по меньшей траектории.
Ответ: ω = 1,48 рад/с, T = 626,4 с.
Критерии проверки:| Критерии оценивания | Баллы |
|---|
| Сформулирована расчётная схема (в том числе, графически), выделены и правильно формализованы все необходимые физические законы | 5 баллов |
| Составлена система уравнений и математическая модель | 5 баллов |
| Верно учтены технические параметры, характеристики и ограничения | 5 баллов |
| Проведены расчеты, получен верный ответ, разумный с точки зрения физического смысла | 5 баллов |
| Максимальный балл | 20 баллов |
Ответ: ω = 1,48 рад/с, T = 626,4 с.
7163
ω = 1,48 рад/с, T = 626,4 с.