Középiskolai Matematikai és Fizikai Lapok
Informatika rovattal
Kiadja a MATFUND Alapítvány
Már regisztráltál?
Új vendég vagy?
FizikaMintamegoldás

A P. 5646. fizika feladat megoldása

Szerk

P. 5646. Űrutazást terveznek a Marsra. Az űrhajó a Földet elhagyva olyan ellipszis pályára áll, amely érinti a két bolygópályát, perihéliumába esik a felszállás, aphéliumába pedig a megérkezés. A visszaút hasonló ellipszispályán történik. Az induláshoz mindkét esetben ki kell várni, amíg a két bolygó megfelelő helyzetbe kerül. Mennyi ideig tart az oda-, illetve visszaút, és legalább mennyi időt fognak a Marson tölteni? A bolygópályákat tekintsük azonos síkban fekvő köröknek, a Mars keringési ideje \(\displaystyle 687{,}0\) földi nap.

(5 pont)

Közli: Vladár Károly, Kiskunhalas

Megoldás. A Mars keringési ideje \(\displaystyle T_{\mathrm{M}}=687{,}0~\textrm{nap}=1{,}881~\textrm{év}\). Kepler III. törvénye alapján a Mars-pálya sugara:

\(\displaystyle \frac{R_{\mathrm{M}}^3}{T_{\mathrm{M}}^2}=\frac{R_{\mathrm{F}}^3}{T_{\mathrm{F}}^2},\quad\Rightarrow\quad R_{\mathrm{M}}=\sqrt[3]{\left(\frac{T_{\mathrm{M}}}{T_{\mathrm{F}}}\right)^2}R_{\mathrm{F}}=1{,}524~\mathrm{CsE}, \)

ahol \(\displaystyle R_\mathrm{F}=1\,\mathrm{CsE}\) a Föld-pálya sugara és \(\displaystyle T_\mathrm{F}=1\,\textrm{év}\) a Föld keringési ideje.


1. ábra

Az oda- és visszaút ellipszispályájának félnagytengelye:

\(\displaystyle a=\frac{R_{\mathrm{M}}+R_{\mathrm{F}}}{2}=1{,}262~\mathrm{CsE},\)

amelyen a keringési idő (ismét Kepler III. törvénye alapján):

\(\displaystyle \frac{a^3}{T^2}=\frac{R_{\mathrm{F}}^3}{T_{\mathrm{F}}^2},\quad\Rightarrow\quad T=\sqrt{\left(\frac{a}{R_{\mathrm{F}}}\right)^3}T_{\mathrm{F}}=1{,}418~\textrm{év}. \)

Az oda- és visszaút időtartama egyaránt ennek az időnek a fele:

\(\displaystyle t=\frac{T}{2}=0{,}709~\textrm{év}\approx 259~\mathrm{nap}. \)

Az űrhajót akkor lehet visszaindítani, ha a \(\displaystyle t\) ideig tartó visszaút után éppen a Földdel egyszerre ér az ellipszis napközeli pontjába. A 2. ábrán az odaút indulásának és megérkezésének, valamint a visszaút indulásának pillanata látható.


2. ábra

Az odautazás indulásakor a Mars még \(\displaystyle \alpha=\tfrac{360^\circ}{T_{\mathrm{M}}}\,t=135{,}7^\circ\)-kal a találkozási pont előtt jár. Mire az űrhajó pontosan fél fordulat után eléri a Marsot, a Föld \(\displaystyle \beta=\tfrac{360^\circ}{T_{\mathrm{F}}}\,t=255{,}2^\circ\)-ot tesz meg a pályáján, így a Föld ekkor \(\displaystyle \beta-180^\circ=75{,}2^\circ\)-kal jár a Mars előtt. Emiatt a visszainduláskor a Marsnak kell ugyanekkora szöggel a Föld előtt járnia. Tehát a Földnek az űrhajó megérkezése és visszaindulása között a Marshoz viszonyítva

\(\displaystyle \gamma=360^\circ-2(\beta-180^\circ)=209{,}6^\circ \)

szöget kell elfordulnia a Nap körül. A két bolygó relatív szögsebessége

\(\displaystyle \omega_{\mathrm{rel}}=\frac{360^\circ}{T_{\mathrm{F}}}-\frac{360^\circ}{T_{\mathrm{M}}}=\frac{168{,}6^\circ}{\textrm{év}}, \)

így a legrövidebb várakozási idő:

\(\displaystyle t_1=\frac{\gamma}{\omega_{\mathrm{rel}}}=1{,}243~\textrm{év}\approx 454~\textrm{nap}. \)

Elekes Panni (Budapest-Fasori Evangélikus Gimn., 10. évf.)

Megjegyzések. 1. A megadott ellipszispályát Hohmann-pályának nevezik Walter Hohmann német mérnök után, aki 1925-ben javasolta, mint rakétaüzemanyag-felhasználás szempontjából leggazdaságosabb bolygóközi pályát.

2. A Mars és a Föld

\(\displaystyle T_{\mathrm{rel}}=\frac{360^\circ}{\omega_{\mathrm{rel}}}=2{,}135~\textrm{év}\approx 780~\mathrm{nap} \)

időközönként kerül ugyanilyen relatív helyzetbe, így az első lehetséges alkalom után ennyi időnként adódik újabb lehetőség a visszaindulásra.

3. A Föld és a Mars pályájának numerikus excentricitása: 0,0167, illetve 0,0934. A Mars-pálya inklinációja (a pálya síkjának a Föld pályájáéval, vagyis az ekliptikával bezárt szöge): \(\displaystyle 1{,}85^\circ\). Ezeket a végső, pontosabb tervezéskor figyelembe kell venni.

22 dolgozat érkezett. Helyes 8 megoldás. Kicsit hiányos (4 pont) 4, hiányos (2–3 pont) 10 dolgozat.

MatfundTámogatás

Kérjük, támogassa adója 1%-ával a KöMaL-t!

A KöMaL kiadásának, a versenyek teljes lebonyolításának, díjazásának és a díjkiosztóval egybekötött Ifjúsági Ankétok szervezésének költségeit 2007 óta a MATFUND Középiskolai Matematikai és Fizikai Alapítvány fizeti.

Kérjük, személyi jövedelemadója 1%-ának felajánlásával álljon a több, mint 125 éve alapított Középiskolai Matematikai és Fizikai Lapok mellé!

A LapLegfrissebb szám

A KöMaL 2025. októberi száma

A LapLegfrissebb szám

A KöMaL 2026. februári száma

A LapLegfrissebb szám

A KöMaL 2025. szeptemberi száma

A LapLegfrissebb szám

A KöMaL 2026. áprilisi száma

A LapLegfrissebb szám

A KöMaL 2026. márciusi száma

A LapLegfrissebb szám

A KöMaL 2026. januári száma

A LapLegfrissebb szám

A KöMaL 2025. novemberi száma

A LapLegfrissebb szám

A KöMaL 2025. decemberi száma

FizikaMintamegoldás

A P. 5691. fizika feladat megoldása

P. 5691. Határozzuk meg egy vékony, \(\displaystyle m\) tömegű, homogén tömegeloszlású, \(\displaystyle a\) oldalú szabályos háromszög alakú lemez tehetetlenségi nyomatékát az egyik csúcsán áthaladó tengelyre vonatkozóan, ha az

a) a háromszög síkjára merőleges,

b) a magasságvonal,

c) az előző két tengelyre merőleges.

Közli: Zsigri Ferenc, Budapest

A LapMegrendelés

A KöMaL megrendelése

A KöMaL egy példányának ára 2025. szeptembertől 1600 Ft, előfizetése 1 évre 12500 Ft – BJMT tagoknak 12000 Ft.

FizikaMintamegoldás

A G. 912. fizika gyakorlat megoldása

G. 912. Az ábrán látható áramkörben kezdetben a kapcsoló nyitva van.

a) Mekkora áramok folynak az áramkör ellenállásain és a telepeken a kapcsoló zárása előtt és után?

b) Mekkora áramok folynak, ha a kapcsoló melletti feszültségforrás polaritását megfordítjuk?