第13章万有引力
Problems問題
Exercises 57–58練習問題 57–58
Exercise 57問題 57
What is the Schwarzschild radius for the black hole at the center of our galaxy if it has the mass of 4 million solar masses?
英語のヒント
銀河中心のブラックホールの質量が太陽質量の400万倍なら、そのシュワルツシルト半径はいくらか。
Solution解き方
Exercise 58問題 58
What would be the Schwarzschild radius, in light years, if our Milky Way galaxy of 1 × 1011 stars collapsed into a black hole? Compare this to our distance from the center, about 13,000 light years.
英語のヒント
1 × 1011個の恒星から成る天の川銀河が崩壊してブラックホールになったら、そのシュワルツシルト半径は何光年になるか。中心から私たちまでの距離である約13,000光年と比較せよ。
Additional Problems追加問題
Exercises 59–80練習問題 59–80
Exercise 59問題 59
A neutron star is a cold, collapsed star with nuclear density. A particular neutron star has a mass twice that of our Sun with a radius of 12.0 km. (a) What would be the weight of a 100-kg astronaut on standing on its surface? (b) What does this tell us about landing on a neutron star?
英語のヒント
中性子星は、原子核の密度まで崩壊した低温の星である。ある中性子星は、太陽の2倍の質量と12.0 kmの半径を持つ。(a) 表面に立つ質量100 kgの宇宙飛行士の重さはいくらか。(b) このことから、中性子星へ着陸することについて何が言えるか。
Solution解き方
a. ; b. Don’t do it!
英語のヒント
(a) 。(b) 着陸してはいけない!
Exercise 60問題 60
(a) How far from the center of Earth would the net gravitational force of Earth and the Moon on an object be zero? (b) Setting the magnitudes of the forces equal should result in two answers from the quadratic. Do you understand why there are two positions, but only one where the net force is zero?
英語のヒント
(a) 地球と月がある物体に及ぼす重力の合力は、地球の中心からどれだけ離れたところでゼロになるか。(b) 二つの力の大きさを等しいとおくと、2次方程式から二つの答えが得られるはずである。二つの位置が出るのに、合力がゼロなのは一つだけになる理由が分かるか。
Exercise 61問題 61
How far from the center of the Sun would the net gravitational force of Earth and the Sun on a spaceship be zero?
英語のヒント
地球と太陽が宇宙船に及ぼす重力の合力は、太陽の中心からどれだけ離れたところでゼロになるか。
Solution解き方
Exercise 62問題 62
Calculate the values of g at Earth’s surface for the following changes in Earth’s properties: (a) its mass is doubled and its radius is halved; (b) its mass density is doubled and its radius is unchanged; (c) its mass density is halved and its mass is unchanged.
英語のヒント
地球の性質が次のように変わった場合について、地表でのgを計算せよ。(a) 質量が2倍になり、半径が半分になる。(b) 質量密度が2倍になり、半径は変わらない。(c) 質量密度が半分になり、質量は変わらない。
Exercise 63問題 63
Suppose you can communicate with the inhabitants of a planet in another solar system. They tell you that on their planet, whose diameter and mass are and , respectively, the record for the high jump is 2.0 m. Given that this record is close to 2.4 m on Earth, what would you conclude about your extraterrestrial friends’ jumping ability?
英語のヒント
別の太陽系の惑星に住む人々と通信できるとしよう。彼らによれば、直径、質量のその惑星では、走り高跳びの記録が2.0 mである。地球での記録が2.4 m近くであることを踏まえると、地球外の友人たちの跳躍能力についてどのような結論が出せるか。
Solution解き方
The value of g for this planet is 3.8 m/s2, which is about one-fourth that of Earth. So they are weak high jumpers.
英語のヒント
この惑星のgは3.8 m/s2で、地球の約4分の1である。したがって、彼らは走り高跳びが得意ではない。
Exercise 64問題 64
(a) Suppose that your measured weight at the equator is one-half your measured weight at the pole on a planet whose mass and diameter are equal to those of Earth. What is the rotational period of the planet? (b) Would you need to take the shape of this planet into account?
英語のヒント
(a) 質量と直径が地球と同じ惑星で、赤道で測った重さが、極で測った重さの半分だったとする。この惑星の自転周期はいくらか。(b) この惑星の形状を考慮する必要があるだろうか。
Exercise 65問題 65
A body of mass 100 kg is weighed at the North Pole and at the equator with a spring scale. What is the scale reading at these two points? Assume that at the pole.
英語のヒント
質量100 kgの物体を、北極と赤道でばねばかりに載せる。この二つの場所での目盛りはいくらか。北極ではとする。
Solution解き方
At the North Pole, 983 N; at the equator, 980 N
北極では983 N、赤道では980 N。
Exercise 66問題 66
Find the speed needed to escape from the solar system starting from the surface of Earth. Assume there are no other bodies involved and do not account for the fact that Earth is moving in its orbit. [Hint: Equation 13.6 does not apply. Use Equation 13.5 and include the potential energy of both Earth and the Sun.
英語のヒント
地表から出発して太陽系を脱出するために必要な速さを求めよ。ほかの天体は関係せず、地球が軌道上を動いていることも考慮しないものとする。[ヒント:単一の天体からの脱出速度の式は使えない。エネルギー保存の式を使い、地球と太陽の両方の位置エネルギーを含める。]
Exercise 67問題 67
Consider the previous problem and include the fact that Earth has an orbital speed about the Sun of 29.8 km/s. (a) What speed relative to Earth would be needed and in what direction should you leave Earth? (b) What will be the shape of the trajectory?
英語のヒント
前問に、地球が太陽の周りを29.8 km/sで公転していることを加えて考えよ。(a) 地球に対して必要な速さはいくらで、どの向きに出発すればよいか。(b) 軌道はどのような形になるか。
Solution解き方
a. The escape velocity is still 43.6 km/s. By launching from Earth in the direction of Earth’s tangential velocity, you need relative to Earth. b. The total energy is zero and the trajectory is a parabola.
英語のヒント
(a) 脱出速度は依然として43.6 km/sである。地球の接線速度の向きへ打ち上げれば、地球に対して必要な速さはとなる。(b) 全エネルギーはゼロで、軌道は放物線である。
Exercise 68問題 68
A comet is observed 1.50 AU from the Sun with a speed of 24.3 km/s. Is this comet in a bound or unbound orbit?
英語のヒント
ある彗星が、太陽から1.50 AUの位置を24.3 km/sで動いていると観測された。この彗星の軌道は束縛されているか、束縛されていないか。
Exercise 69問題 69
An asteroid has speed 15.5 km/s when it is located 2.00 AU from the sun. At its closest approach, it is 0.400 AU from the Sun. What is its speed at that point?
英語のヒント
ある小惑星は、太陽から2.00 AUの位置で15.5 km/sの速さを持つ。最も近づくときの太陽からの距離は0.400 AUである。その地点での速さはいくらか。
Solution解き方
61.5 km/s
Exercise 70問題 70
Space debris left from old satellites and their launchers is becoming a hazard to other satellites. (a) Calculate the speed of a satellite in an orbit 900 km above Earth’s surface. (b) Suppose a loose rivet is in an orbit of the same radius that intersects the satellite’s orbit at an angle of . What is the velocity of the rivet relative to the satellite just before striking it? (c) If its mass is 0.500 g, and it comes to rest inside the satellite, how much energy in joules is generated by the collision? (Assume the satellite’s velocity does not change appreciably, because its mass is much greater than the rivet’s.)
英語のヒント
古い人工衛星や打ち上げ機の残骸である宇宙ごみは、ほかの人工衛星にとって危険になりつつある。(a) 地表から900 km上空の軌道にある人工衛星の速さを計算せよ。(b) 外れたリベットが、同じ半径の軌道にあり、人工衛星の軌道との角度で交差するとする。衝突直前のリベットの、人工衛星に対する速度はいくらか。(c) リベットの質量が0.500 gで、人工衛星の内部で停止するなら、衝突によって何Jのエネルギーが生じるか。(人工衛星の質量はリベットよりはるかに大きいので、その速度はほとんど変わらないものとする。)
Exercise 71問題 71
A satellite of mass 1000 kg is in circular orbit about Earth. The radius of the orbit of the satellite is equal to two times the radius of Earth. (a) How far away is the satellite? (b) Find the kinetic, potential, and total energies of the satellite.
英語のヒント
質量1000 kgの人工衛星が、地球の周りの円軌道を回る。その軌道半径は地球の半径の2倍である。(a) 人工衛星はどれだけ離れているか。(b) 人工衛星の運動エネルギー、位置エネルギー、全エネルギーを求めよ。
Solution解き方
a. ; b. ; ;
(a) 。(b) 、、。
Exercise 72問題 72
After Ceres was promoted to a dwarf planet, we now recognize the largest known asteroid to be Vesta, with a mass of and a diameter ranging from 458 km to 578 km. Assuming that Vesta is spherical with radius 520 km, find the approximate escape velocity from its surface.
英語のヒント
ケレスが準惑星へ分類されたため、現在、知られている最大の小惑星はベスタである。その質量は、直径は458 kmから578 kmの範囲にある。ベスタを半径520 kmの球と仮定して、表面からの脱出速度の近似値を求めよ。
Exercise 73問題 73
(a) Given the asteroid Vesta which has a diameter of 520 km and mass of , what would be the orbital period for a space probe in a circular orbit of 10.0 km from its surface? (b) Why is this calculation marginally useful at best?
英語のヒント
(a) 小惑星ベスタの直径を520 km、質量をとする。表面から10.0 km上空の円軌道を回る探査機の公転周期はいくらか。(b) この計算が、よくてもわずかにしか役立たないのはなぜか。
Solution解き方
a. or about 1.8 hours. This was using the 520 km average diameter. b. Vesta is clearly not very spherical, so you would need to be above the largest dimension, nearly 580 km. More importantly, the nonspherical nature would disturb the orbit very quickly, so this calculation would not be very accurate even for one orbit.
英語のヒント
(a) 、すなわち約1.8時間。平均直径520 kmを用いた。(b) ベスタは明らかに球形から大きく外れているため、最大の寸法である約580 kmより上を飛ぶ必要がある。さらに重要なのは、球形でないことによって軌道がすぐに乱される点である。このため、1周分であっても、この計算はあまり正確ではない。
Exercise 74問題 74
What is the orbital velocity of our solar system about the center of the Milky Way? Assume that the mass within a sphere of radius equal to our distance away from the center is about a 1 × 1011 solar masses. Our distance from the center is 27,000 light years.
英語のヒント
太陽系が天の川銀河の中心を回る公転速度はいくらか。中心から私たちまでの距離を半径とする球内の質量は、太陽質量の約1 × 1011倍とする。中心からの距離は27,000光年である。
Exercise 75問題 75
(a) Using the information in the previous problem, what velocity do you need to escape the Milky Way galaxy from our present position? (b) Would you need to accelerate a spaceship to this speed relative to Earth?
英語のヒント
(a) 前問の情報から、現在の位置を出発して天の川銀河を脱出するために必要な速度を求めよ。(b) 地球に対して宇宙船をこの速さまで加速する必要があるか。
Solution解き方
a. 323 km/s; b. No, you need only the difference between the solar system’s orbital speed and escape speed, so about .
英語のヒント
(a) 323 km/s。(b) 必要ない。必要なのは太陽系の公転速度と脱出速度との差だけなので、約である。
Exercise 76問題 76
Circular orbits in Equation 13.10 for conic sections must have eccentricity zero. From this, and using Newton’s second law applied to centripetal acceleration, show that the value of in Equation 13.10 is given by where L is the angular momentum of the orbiting body. The value of is constant and given by this expression regardless of the type of orbit.
英語のヒント
Exercise 77問題 77
Show that for eccentricity equal to one in Equation 13.10 for conic sections, the path is a parabola. Do this by substituting Cartesian coordinates, x and y, for the polar coordinates, r and , and showing that it has the general form for a parabola, .
英語のヒント
円錐曲線の式で離心率が1なら、軌道が放物線になることを示せ。極座標r、を直交座標x、yへ置き換え、放物線の一般形になることを示せ。
Solution解き方
Setting , we have ; hence, . Expand and collect to show .
英語のヒント
とおくと、なので、となる。展開して整理すれば、が得られる。
Exercise 78問題 78
Using the technique shown in Satellite Orbits and Energy, show that two masses and in circular orbits about their common center of mass, will have total energy . We have shown the kinetic energy of both masses explicitly. (Hint: The masses orbit at radii and , respectively, where . Be sure not to confuse the radius needed for centripetal acceleration with that for the gravitational force.)
英語のヒント
「衛星の軌道とエネルギー」で示した方法を使い、共通重心の周りの円軌道を回る二つの質量、の全エネルギーがとなることを示せ。ここでは両方の質量の運動エネルギーを明示してある。(ヒント:それぞれの軌道半径は、で、が成り立つ。向心加速度に必要な半径と、重力に使う距離を混同しないこと。)
Exercise 79問題 79
Given the perihelion distance, p, and aphelion distance, q, for an elliptical orbit, show that the velocity at perihelion, , is given by . (Hint: Use conservation of angular momentum to relate and , and then substitute into the conservation of energy equation.)
英語のヒント
楕円軌道の近日点距離pと遠日点距離qが与えられたとき、近日点での速度がで与えられることを示せ。(ヒント:角運動量保存を使ってとを関係付け、その後でエネルギー保存の式へ代入する。)
Solution解き方
Substitute directly into the energy equation using from conservation of angular momentum, and solve for .
英語のヒント
角運動量保存から得たを直接エネルギーの式へ代入し、について解く。
Exercise 80問題 80
Comet P/1999 R1 has a perihelion of 0.0570 AU and aphelion of 4.99 AU. Using the results of the previous problem, find its speed at aphelion. (Hint: The expression is for the perihelion. Use symmetry to rewrite the expression for aphelion.)
英語のヒント
彗星P/1999 R1の近日点距離は0.0570 AU、遠日点距離は4.99 AUである。前問の結果を使い、遠日点での速さを求めよ。(ヒント:前問の式は近日点についてのものなので、対称性を使って遠日点の式へ書き換える。)