Предположим, что в Земле прорыт прямолинейный железнодорожный тоннель длиной 1000 км. Вагон ставят на рельсы в начале тоннеля и отпускают без начальной скорости. Найдите максимальную скорость вагона. Землю считать шаром радиусом 6400 км с одинаковой плотностью по всему объему. Вращение Земли, сопротивление воздуха и все виды трения при движении не учитывать.
от

1 Ответ

Дано:
- длина тоннеля L = 1000 км = 1000 * 10^3 м
- радиус Земли R = 6400 км = 6400 * 10^3 м
- плотность Земли ρ = постоянная (необходима для нахождения массы Земли)

Найти:

- максимальную скорость вагона v_max

Решение:

1. Найдем массу Земли M:

M = ρ * V, где V = (4/3) * π * R^3

2. Поскольку плотность Земли ρ постоянная, нам не нужны её точные значения для расчета. Будем использовать коэффициенты и обозначим их через ρ_0.

V = (4/3) * π * (6400 * 10^3)^3

M = ρ_0 * V = ρ_0 * (4/3) * π * (6400 * 10^3)^3

3. Сила тяжести, действующая на вагон, когда он находится на глубине d = L/2 (половина длины тоннеля):

F = G * (m * M_eff) / r^2

где G - гравитационная постоянная (приблизительно 6.674 * 10^-11 Н*(м/кг)^2), m - масса вагона, M_eff - эквивалентная масса Земли на глубине d, r - расстояние от центра Земли до вагона.

На глубине d = L/2, эквивалентная масса M_eff находится по формуле:

M_eff = M * (1 - (d/R))

4. Таким образом, эквивалентная масса на глубине L/2:

M_eff = M * (1 - (L/2R))

5. Подставим M_eff в формулу силы тяжести:

F = G * (m * M * (1 - (L/(2R)))) / (R - L/2)^2

6. На максимальной скорости вагон будет двигаться в тоннеле с ускорением g_eff, которое уменьшается с глубиной.

7. Поскольку вагон движется в свободном падении, максимальная скорость будет достигнута в центре Земли. Для нахождения этой скорости можно использовать закон сохранения механической энергии:

E_kinetic = E_potential

m * v_max^2 / 2 = m * g_eff * L

v_max = sqrt(2 * g_eff * L)

где g_eff = G * M / R^2

8. Подставим значения:

g_eff = (6.674 * 10^-11 Н*(м/кг)^2) * (M) / (6400 * 10^3)^2

Теперь у нас есть значения g_eff и L, можем подставить в формулу для v_max:

v_max = sqrt(2 * g_eff * L)

9. Подсчитаем g_eff и v_max:

Сначала найдем M:

M = ρ_0 * (4/3) * π * (6400 * 10^3)^3

Затем подставим в g_eff:

g_eff = (6.674 * 10^-11) * (ρ_0 * (4/3) * π * (6400 * 10^3)^3) / (6400 * 10^3)^2

10. После подстановки и упрощения:

g_eff ≈ 9.81 м/с^2 (для приближения)

Теперь подставим в v_max:

L = 1000 * 10^3 м

v_max = sqrt(2 * 9.81 * 1000 * 10^3)

v_max ≈ sqrt(19620 * 10^3)

v_max ≈ sqrt(19620000) ≈ 4427.15 м/с

Ответ:
Максимальная скорость вагона v_max ≈ 4427 м/с.
от