В Земле прорыт прямой тоннель, не проходящий через центр (рис. 217). Определите время движения поезда с выключенным двигателем по такому тоннелю, если влиянием вращения Земли на движение поезда и трением пренебречь. Плотность Земли считать одинаковой по всему объему, радиус - равным 6400 км.
от

1 Ответ

Для решения задачи о движении поезда по тоннелю, проходящему через Землю, воспользуемся следующими данными и физическими закономерностями.

Дано:
- Радиус Земли R = 6400 км = 6400 * 10^3 м
- Плотность Земли ρ (предполагаем, что плотность равномерная) = 5500 кг/м³ (приблизительное значение)

Найти:
- Время движения поезда с выключенным двигателем по тоннелю.

Решение:
1. Определим массу Земли (M):
   Масса Земли вычисляется по формуле:
   M = V * ρ,
   где V - объем Земли. Объем сферы определяется по формуле:
   V = (4/3) * π * R^3.

   Подставим значения:
   V = (4/3) * π * (6400 * 10^3)³.

   Сначала вычислим R^3:
   R^3 = (6400 * 10^3)³ = 2.62144 * 10^20 м³.

   Теперь подставим в формулу для объема:
   V = (4/3) * π * 2.62144 * 10^20 ≈ 1.101 * 10^21 м³ (считаем π ≈ 3.14).

   Теперь найдем массу Земли:
   M = V * ρ = 1.101 * 10^21 м³ * 5500 кг/м³ ≈ 6.0555 * 10^24 кг.

2. Определим гравитационное ускорение (g) на поверхности Земли:
   g = G * M / R^2,
   где G - гравитационная постоянная, G ≈ 6.674 * 10^-11 Н·м²/кг².

   Подставим значения:
   g = (6.674 * 10^-11) * (6.0555 * 10^24) / (6400 * 10^3)².

   Сначала вычислим R^2:
   R^2 = (6400 * 10^3)² = 4.096 * 10^13 м².

   Теперь подставим в формулу для g:
   g = (6.674 * 10^-11) * (6.0555 * 10^24) / (4.096 * 10^13) ≈ 9.81 м/с².

3. Определим период колебаний поезда в тоннеле:
   Движение поезда по тоннелю можно рассматривать как простое гармоническое движение. Период колебаний T определяется по формуле:
   T = 2π * sqrt(R/g).

   Подставим значения:
   T = 2π * sqrt(6400 * 10^3 / 9.81).

   Сначала найдем sqrt(6400 * 10^3 / 9.81):
   sqrt(6400 * 10^3 / 9.81) ≈ sqrt(65183.5) ≈ 255.29 с.

   Теперь подставим это значение в формулу для T:
   T = 2 * 3.14 * 255.29 ≈ 1602.76 с.

4. Определим время прохождения через тоннель:
   Поскольку поезд движется по гармоническому осциллятору, он проходит от одного конца тоннеля до другого за четверть периода:
   t = T/4.

   Подставим значения:
   t = 1602.76 / 4 ≈ 400.69 с.

Ответ:
Время движения поезда с выключенным двигателем по тоннелю составляет примерно 400.69 секунд.
от