ВсОШ 2026, 11 класс, теоретический тур, задача 6

Двуликий Янус

Вокруг Сатурна по круговым орбитам, расположенным в одной плоскости, вращаются два спутника — Янус и Эпиметей. Интересной особенностью этих спутников является то, что расстояние между их орбитами составляет всего около км, и раз в года за счет гравитационного взаимодействия между ними они меняются орбитами, так что внутренний спутник становится внешним, а внешний — внутренним.

Массы Сатурна, Януса и Эпиметея равны кг, кг и кг соответственно. Можно считать, что во время взаимодействия орбиты обоих спутников остаются круговыми.

Справочные данные (гравитационная постоянная и единицы измерения): открыть PDF.

Н. Е. Кондратьев

A. Оцените большие полуоси орбит и периоды обращения спутников вокруг Сатурна.

Оценочные значения, формулы и обоснование проверяются вручную.

Войдите, чтобы проверять ответы
Ответ

Решение. Заметим, что км — это очень мало. Большие полуоси орбит спутников не могут быть меньше радиуса Сатурна, который равен км, что много больше км. Это значит, что параметры орбит спутников будут отличаться очень слабо. В ответе на первый вопрос следует указать совпадающие большие полуоси и периоды обращения, так как их разницей можно пренебречь по сравнению с точностью вычислений.

Пусть период обращения и большая полуось орбиты одного спутника равны и , а второго — и соответственно. По условию км.

Из III закона Кеплера

Воспользуемся малостью и и формулой , и получим

Здесь и далее в аналогичных ситуациях можно получать подобные соотношения и другим путем. Запишем III закон Кеплера

и сосчитаем дифференциал обеих частей равенства. Получим

Теперь, разделив это равенство на предыдущее, получаем

что, поскольку и , дает тот же результат.

Каждые года спутники меняются орбитами, то есть каждые года они подходят близко друг к другу. Это значит, что синодический период спутников примерно равен годам.

Свяжем его с их сидерическими периодами. Воспользуемся той же самой формулой для малого при :

Выразим и через и .

Подставляя данные, получим тыс. км. Это соответствует периоду сут.

1

К1. Оценка большой полуоси и периода обращения.

8
2

Замечено, что в ответе достаточно одной большой полуоси и одного периода.

2
3

Связь между и .

2
4

Связь между и синодическим периодом.

2
5

Верный ответ на первый вопрос задачи.

2
Максимум: 8

B. Оцените минимально возможное расстояние между спутниками.

Оценочное значение и обоснование проверяются вручную.

Войдите, чтобы проверять ответы
Ответ

Решение.

Теперь ответим на второй вопрос задачи. Снова заметим, что км — это очень мало. Учитывая массу тел, их радиус примерно равен км, а диаметр, соответственно, в раза больше. Тела не могут подходить друг к другу на расстояние, хотя бы сравнимое с их размером — иначе колебания параметров их орбит, вызванные гравитационным взаимодействием с другими телами Солнечной системы, приводили бы к столкновениям Януса и Эпиметея друг с другом. Таким образом, и мы снова можем считать, что тела движутся по одной орбите. Более того, тела можно считать точечными, то есть пренебречь их размерами и формой.

С другой стороны, сами тела не очень массивные, и существенное изменение больших полуосей их орбит происходит только в то время, когда они близки друг к другу. Будем считать, что за пределами некоторого Янус и Эпиметей не взаимодействуют друг с другом.

Из сделанных выше предположений получаем, что изменение больших полуосей орбит происходит только за счет изменения модуля скоростей спутников, но не их направления. Так как орбиты следует считать круговыми, то в каждый момент времени скорости остаются направленными перпендикулярно направлению на Сатурн.

Здесь вступает в силу известный факт, что сообщение телу энергии (попытка его ускорить) приводит к уменьшению его скорости, и наоборот. Действительно, из теоремы о вириале , . Увеличение полной энергии приводит к уменьшению кинетической энергии, . Изменение энергии равно работе гравитационных сил притяжения между двумя телами. Тогда

Здесь — это угол между скоростью тела и направлением на второе тело. В случае совпадающих орбит он равен углу между направлениями с Сатурна на эти два спутника.

Аналогичный результат можно получить, если рассматривать изменение кинетической энергии с учетом работы гравитационных сил со стороны Сатурна, совершаемую над телами.

Пусть текущие координаты спутников в полярной системе координат — и соответственно. Будем считать, что мало. Тогда расстояние между спутниками равно

Взаимное положение спутников и расстояние между ними.

При этом , из чего следует, что .

Пусть линейная скорость, угловая скорость и масса одного из спутников равны , и , линейная скорость и масса другого — , и соответственно. Расстояние между спутниками — . В начальный момент времени большие полуоси орбит спутников равны и соответственно, при этом , то есть первый спутник догоняет второй.

Направления скоростей спутников на близких орбитах.

Под действием гравитационных сил скорости тел изменяются.

Здесь мы приняли равным , так как считаем малым.

Свяжем разности линейных и угловых скоростей с разностью больших полуосей орбит. Обозначим как , тогда

Тогда получим, что

Обозначим как , тогда

Перемножим эти два уравнения и получим

Получаем закон сохранения:

Записывая его для двух состояний, при (без взаимодействия) и при , получим

, то есть

Получаем финальный ответ:

На самом деле спутники не «обмениваются» орбитами: более массивный спутник перемещается на меньшее расстояние, чем менее массивный. Однако после окончания взаимодействия расстояние между орбитами оказывается таким же, какое было и до взаимодействия (см. график далее). Последний обмен орбитами произошел в начале года, при этом Янус из внутреннего спутника снова стал внешним.

Изменение больших полуосей орбит Януса и Эпиметея. Исходные оси, годы и расстояния сохранены.

1

К2. Оценка минимального расстояния между спутниками.

7
2

Замечено, что км меньше размеров тел, поэтому .

1
3

Связь между силой и фактическим изменением скорости.

1
4

Выражения для изменения скоростей тел и расстояния между телами со временем.

1
5

Связь между разностями линейных и угловых скоростей тел.

1
6

Закон сохранения.

1
7

Верный ответ на второй вопрос задачи.

2
Максимум: 7

Похожие задачи

ВсОШ 2026, 11 класс, теоретический тур, задача 2

Потенциальная задача Эллиптическая галактика обладает сферической симметрией, а ее гравитационый потенциал задается выражением U(r)=-(GM/r+c), где M — полная масса галактики, c=1 кпк. Известно, что на круговой орбите радиуса 8 кпк скорость равна 180 км/с. Справочные данные (физические постоянные и е

ВсОШ 2026, 11 класс, практический тур, задача 8

Геометрически точно Вам дана заготовка схемы (с указанным масштабом) зеркального телескопа, состоящего из первичного параболического собирающего зеркала диаметром D1=260 см с относительным отверстием 1:3.85 и вторичного рассеивающего гиперболического зеркала с фокусным расстоянием F2

ВсОШ 2026, 11 класс, практический тур, задача 9

Гонки за светом Вам даны радиокарты наблюдений на частоте 22 ГГц джета, вылетающего из активного ядра галактики (АЯГ). Справа от каждой карты подписана дата наблюдения (в годах и долях года). Масштаб по осям абсцисс и ординат одинаков и указан на оси абсцисс, само ядро находится на отметке 0 по оси

№ 6. Полярный геосинхронный спутник

В решении для всех вычислений должна быть представлена формула, где искомая величина записана как явная функция известных величин, записаны подставляемые значения и только потом ответ. Если численные значения получаются из рисунков/графиков, должно быть показано, что именно измерялось. Наблюдатель н