101 ключевая идея: Физика - [6]
См. также статьи «Жидкости 1 и 2», «Идеальные газы».
ДВИЖЕНИЕ СПУТНИКОВ
Спутником называется любое тело, совершающее орбитальное движение вокруг более крупного тела. Планеты — это спутники Солнца. Луна — спутник Земли. Искусственные спутники на околоземных орбитах используются для поддержания радиосвязи.
• Периодом обращения спутника, зависящим от высоты, называется время, за которое он совершает полный оборот.
• Геостационарным называется спутник, движущийся по экваториальной орбите на такой высоте и с такой скоростью, что все время остается над одной и той же точкой земной поверхности, т. е. его период обращения равен 24 часам.
Спутник, обращающийся вокруг Земли, удерживается на эллипсообразной орбите под действием силы тяжести. Для кругового движения скорость спутника всегда перпендикулярна действующей на него силе притяжения и вычисляется исходя из того, что сила гравитационного притяжения GMm/r>2 равна центростремительной силе mv>2/r, где М — масса Земли, m — масса спутника, r — радиус орбиты, v — скорость спутника. Отсюда v>2 = GM/r, откуда получаем скорость спутника. Период обращения по круговой орбите Т = 2πτ/ v, значит
Эта формула согласуется с третьим законом Кеплера, согласно которому для планет Т>2 пропорционально r>3. При значении Т, равном 24 часам, получаем r = 42 300 км, что соответствует 35 900 км над Землей. Таким образом, высота геостационарной орбиты должна равняться 35 900 км, так как радиус Земли равен 6400 км. Говорят, что геостационарный спутник находится на синхронной орбите.
Он остается над одной и той же точкой экватора, так как движется со скоростью, равной скорости вращения Земли. Геостационарные спутники используются для связи, поскольку передатчики и приемники сигналов не надо подстраивать под движение спутника, они всегда настроены на одну точку.
См. также статьи «Гравитационное поле 1», «Круговое движение».
ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР
Деление атомных ядер — процесс распада атомного ядра на две равные части. Уран-235 и плутоний — 239 — единственные изотопы, деление которых сопровождается выделением нейтронов. Уран -235 — единственный, встречающийся в природе элемент с самопроизвольно делящимися изотопами.
Большое атомное ядро можно сравнить с вибрирующей каплей жидкости. Если в такое ядро на большой скорости попадает нейтрон, то оно делится на два осколка, которые отталкиваются друг от друга в результате действия электростатических сил. Два осколка, в свою очередь, испускают нейтроны с большой энергией, которые сталкивается с другими ядрами, вызывая их деление. Если в результате деления образуется более одного быстрого нейтрона, начинается цепная реакция. В ядерном реакторе создается управляемая цепная реакция, при которой деление происходит в точном соотношении; один испускаемый нейтрон на одно ядро. «Лишние» нейтроны поглощаются ядрами в графитовых стержнях или иных замедлителях, либо они покидают реактор. Энергия, выделяемая на килограмм радиоактивного вещества, в миллионы раз больше количества энергии, выделяемой при сгорании килограмма нефти. В природе встречаются изотопы уран -235 и уран-238, причем на долю первого приходится менее 1 %, а на долю второго — около 99 %.
В высокотемпературных ядерных реакторах тепловыделяющие элементы (твэлы) из обогащенного урана содержат около 2–3 % урана-235. Нейтроны деления имеют слишком быструю скорость, чтобы продолжать реакцию деления, поэтому используют замедлители, окружающие тепловыделяющие элементы; они замедляют нейтроны и те сталкиваются с ядрами урана с нужной скоростью. Нейтроны деления при столкновении с ядрами вещества-замедлителя теряют кинетическую энергию.
В реакторе на быстрых нейтронах последние, испускаемые плутонием -239, поддерживают реакцию без замедлителей. Плутоний-239 представляет собой искусственный изотоп, получаемый в результате поглощения ураном-238 нейтрона и его распада. Таким образом, реактор на быстрых нейтронах сам вырабатывает свое топливо в виде плутония — 239 из слоя урана-238, окружающего активную зону. Если применять такой процесс в широком масштабе, то срок использования мировых запасов урана увеличивается в 50 раз.
См. также статьи «Атомная энергия», «Ядерная модель атома».
ДЕЦИБЕЛЫ
Звук представляет собой колебания, т. е. периодические возмущения в твердых, жидких и газообразных средах. Любая колеблющаяся поверхность в воздухе создает волны, распространяющиеся от нее во все стороны. Звуковые волны в воздухе представляют собой периодические сжатия и расширения молекул воздуха. Частотой звуковых волн называется количество таких сжатий в единицу времени, а интенсивностью — средний поток энергии, проходящий через единицу площади в единицу времени.
Звуковые волны заставляют колебаться наши барабанные перепонки. Чем сильнее колебания, тем громче нам кажется звук. Наше ухо воспринимает звуки одинаковой частоты, но разной громкости согласно логарифмической шкале, т. е. равномерному увеличению воспринимаемой громкости соответствует все большее увеличение интенсивности. Так, если интенсивность звуковой волны сначала увеличить в два раза, а затем еще в два раза и т. д., то громкость каждого последующего звука будет восприниматься как повышение на одну ступень по сравнению с громкостью предыдущего.
