Vyhledávání úloh podle oboru

Kometární rodina Jupiteru vzniká následujícím způsobem (viz. obrázek). Kometa přilétá k Jupiteru z velké vzdálenosti s téměř nulovou počáteční rychlostí. Po opuštění Jupiterova gravitačního pole (přesně sféry gravitačního vlivu Jupitera), má její rychlost (vzhledem ke Slunci) přesně opačný směr než rychlost Jupitera. Poté se pohybuje opět v gravitačním poli Slunce. V jaké vzdálenosti od něj se bude nacházet perihelium dráhy komety a jaká je její oběžná doba (jaká je velikost velké poloosy dráhy komety)? Uvažujte, že Jupiter obíhá kolem Slunce po kružnici o poloměru $R=5,2\;\mathrm{AU}$.

Tři planetky o stejné hmotnosti $M=10^{26}\; \textrm{g}$ jsou umístěny ve vrcholech rovnostranného trojúhelníka o straně $l=100\; \textrm{Gm}$ [gigametry]. Nemajíce počáteční rychlosti nezbývá jim než padat vstříc jisté záhubě. Určete, za jak dlouho se srazí (rozměry planetek zanedbejte).

Přistávací modul kosmické lodi se přibližuje k povrchu planety s konstantní rychlostí, přičemž předává na kosmickou loď údaje o tlaku atmosféry. Graf závislosti tlaku na čase je na obrázku. Při přistání na povrchu planety modul naměřil teplotu $T=700\; \textrm{K}$ a tíhové zrychlení $g=10\;\mathrm{m}\cdot \mathrm{s}^{-2}$. Určete rychlost $v$, kterou modul přistává, když se atmosféra skládá z oxidu uhličitého. Určete teplotu $T_{h}$ ve výšce $h=12\;\mathrm{km}$ nad povrchem planety.

S nevelkou přesností pozorování (za Ptolemaia byla asi 0,5°) určil už Hipparchos vzdálenost Slunce a Měsíce, a to překvapivě dobře (59 zemských poloměrů, 134 600 000 km). Zkuste nalézt postup, jak to provedl, a odhadněte, jaká je asi chyba výsledku získaného s tehdejšími prostředky.

V šestnáctém století, stále ještě bez jakékoli optiky, se pozorovací metody značně zdokonalily (Tycho Brahe měřil s přesností na 2' ). Vymyslete, jak mohl středověký astronom určit poměry poloos drah planet vůči vzdálenosti Země od Slunce a jejich oběžné doby.

Na sféře stálic, mimo okruhy planet, se však stále jevilo nebe neměnné. Jak přesně by musel pozorovatel měřit polohy hvězd, aby zjistil jejich posuny vůči sobě, ať už skutečné nebo zdánlivé?

Usoudili jsme, že v poklidné vánoční době vás raději ušetříme přílišného počítání a naopak vyzkoušíme vaše schopnosti fyzikální argumentace bez pomoci vzorců. Za tímto účelem se tedy přenesme téměř o čtyři století zpět, do doby, kdy na univerzitě v Pise a později v Padově působil muž jménem Galileo Galilei. Nebude snad na škodu, když zde trochu přiblížíme jeho tehdejší práci a názory. Zdejší profesura ho neuspokojovala o nic více než předchozí studium, nevyhovoval mu jediný tehdy uznávaný výklad principů přírodních dějů pocházející od Aristotela. Sám se zabýval zkoumáním konkrétních vlastností hmoty, a to jak pevných těles (pevnost), tak kapalin a plynů (tlak, vakuum). Největší význam pro další rozvoj fyzikálního poznání mělo jeho studium jednoduchých mechanických systémů, kdy opustil pole statiky, zpracované již Archimedem, a pustil se do zkoumání jejich pohybových vlastností, čímž položil základy dynamiky (od něj pochází i naše pojetí pojmu setrvačnost a zrychlení). Ovšem nemenší význam měly jeho objevy učiněné na nebi, kterých dosáhl díky své vlastní zdokonalené verzi tzv. holandského dalekohledu. Počátkem 17. století je shrnul do díla nazvaného Hvězdný posel, které však bylo pro svůj kritický pohled z mnoha stran ostře napadáno. V roce 1616 pak musel sám pod pohrůžkou uvěznění upustit od svých „bludných názorů“, ve kterých se stále více blížil Koperníkovu modelu vesmírných pohybů. O osm let později, kdy nastoupil nový papež, se opět pustil do boje s nesmiřitelnou inkvizicí a vydal Dialog o obou největších soustavách světových, ve kterém obhajoval Kopernikovu představu proti všem možným argumentům opozičního tábora. Dílo podávalo daný problém tak dovedně, že po úpravách došlo i papežskému schválení.

Po vás chceme, aby jste se zamysleli se nad tím, jakých argumentů mohl při obhajobě heliocentrického názoru použíti. Uvažte dříve známé i nově objevené skutečnosti, kterými mohl Galileo svou pravdu potvrdit. Mějte na paměti, že jeho oponenty byli většinou lidé bez vědeckého vzdělání, jakož i že zakladatel matematického popisu fyzikální reality, Isaac Newton, se narodil až několik let po Galileově smrti.

• Vraťme se opět do Severního království. V řešení příkladu I.S jste velkým zeměměřičům správně poradili převodní vzorce

$$x′=x\cos φ-yk\sin φ\; (1)$$ $$y′=kx\sin φ+y\cos φ\; (2)$$

kde $k$ je poměr metr ku severské míli a $φ$ úhel mezi magnetickým pólem a Severkou. Zeměřičům se však tento výsledek moc nelíbil, a to hned ze dvou důvodů – za prvé se v nich proti všem tradicím převádí severská míle na metr, s čímž se ale budou muset vyrovnat sami, ale hlavně za druhé neměří v Severním královstní odchylku mezi oběma používanými severními směry pomocí úhlu, ale pomocí tzv. odklonu $u$. Odklon osy $y′$ od osy $y$ je definován jako $u=x/y$, kde $x$ a $y$ jsou souřadnice bodu, který leží ve směru Severky, tj. osy $y$. Ukažte, že odklon $u$ nezávisí na tom, který bod na ose $y′$ v definici zvolíme, že odklon osy $y$ od $y′$ je $u$ a vyjádřete převodní vztahy (1) a (2) v závislosti na odklonu místo na úhlu.

• Zeměměřiči při porovnání svých výsledků zjistili zajímavou věc. Většina údajů se vlivem používání odlišných severních směrů liší, ale jeden údaj, který získávají podle vzorce $Δx+(kΔy)$, resp. $Δx′+(kΔy′)$, vychází oběma zeměměřičům stejně. Je to náhoda? Pokud ne, tak to dokažte a odůvodněte proč.

Vraťme se ke středověkému sporu. Roku 1543 ve svém díle De Revolutionibus orbium coelestium Mikuláš Koperník předkládá svůj heliocentrický výklad světa, kterým popírá zažitou geocentrickou představu zformulovanou nejjasněji Ptolemaiem v díle Megalé Syntaxis v 2. století n. l. Umožněme myšlenkově oběma astronomům setkání, na kterém by mohli obhajovat svůj názor.

Koperník: „V mém výkladu je Slunce nepohyblivé a kolem něj se pohybují všechny planety včetně Země po kruhových drahách, což je mnohem jednodušší než popis pohybu planet v geocentrické představě.“ (Eliptické dráhy přinesl až o 60 let později Kepler.)

Co na to Ptolemaios? Kdyby byl hodně chytrý, odpověděl by třeba toto: „Tvůj názor je odvážný, mladíku, (Koperník byl o 1400 let mladší), ale myslím, že nepřináší nic nového, jenom zmatek v ustálených představách. I kdyby podle Tebe Země obíhala kolem Slunce, když se postavíme na Zemi, což stále děláme, uvidíme, že Slunce se pohybuje relativně vůči Zemi a to po kružnici. Pohyb je relativní!“ (Vskutku, pokud se nám pohyb jednoho tělesa z druhého zdá kruhový, tak opačně z prvního se pohyb druhého bude zdát opět kruhový – ověřte si to.) „Zapomeňme třeba na ostatní planety a mějme jen Slunce a Zemi. Můžeš i pak tvrdit, že Země obíhá kolem Slunce a ne naopak?“

Koperník: „Ano, i pak. Slunce stojí vůči stálicím, vůči hvězdám, a Země ne.“

Ptolemaios: „A proč by se stálice také nemohly pohybovat kolem Země? Copak Země středem vesmíru není lákavá myšlenka?“

Vidíme, že pan Koperník se dostává do úzkých. Vždyť Ptolemaios argumentuje tak revolučními a přitažlivými myšlenkami, jako že pohyb je relativní. My bychom se však přiklonili spíš ke Koperníkovi. Máme proti němu ale výhodu – víme, s čím přišel o necelých 150 let později pan Newton. Přizvěme ho k debatě. Jakými slovy vyřeší spor obou astronomů a přesvědčí Ptolemaia, zatím ale neřekneme. Co byste na místě Newtona řekli vy?

Jak víme, celý povrch Země je rozdělen na 24 hlavních časových pásem po 15 stupních zeměpisné délky. Na celém území naší republiky se řídíme středoevropským časem příslušejícím 15. stupni východní délky, resp. letním časem posunutým o 1 hodinu. Dále lze zavést tzv. sluneční čas, jehož poledne (12 hodin) je v okamžiku, kdy je na dané zeměpisné délce slunce nejvýše. Navrhněte metodu měření a změřte rozdíl mezi letním středoevropským časem a slunečním časem ve vaší zeměpisné délce. Výsledek porovnejte s výpočtem.

Za devatero horami v Severním království pod vládou moudrého krále žijí dva národy – denní a noční lidé. Pro potřeby obou národů zde pracují dva velcí zeměměřiči. Denní zeměměřič měří vzdálenosti k východu od středu náměstí hlavního města v metrech (označme $x$) a vzdálenosti v severním směru, který je zde považován za posvátný, měří v severských mílích ($y$). Sever určuje podle magnetky kompasu. Noční zeměměřič určuje sever podle Polárky a vzdálenosti od středu náměstí k východu opět měří v metrech ($x′$) a k severu v severských mílích ($y′$). Jednoho dne chtěli porovnat své výsledky. Ocitli se však před velkým problémem. Vzhledem k tomu, že směr k Polárce není shodný se směrem k magnetickému pólu, tak se jejich údaje liší.

• Pomozte jim a odvoďte vztahy mezi údaji $x$, $y$ a $x′$, $y′$.
• Jak by vztahy mezi $x$, $y$ a $x′$, $y′$ vypadaly, kdyby oba zeměměřiči neměřili vzdálenosti ze stejného místa?

Uvažujme nádobu s otvorem dle obrázku. Uniká-li stlačený vzduch z nádoby ven, nádoba se pohybuje. Jde o princip analogický raketovým motorům. Představme si nyní opačnou situaci. Nádobu, v níž bylo vakuum, umístěnou ve vzduchu, který do nádoby proudí malým otvorem. Nádoba se bude pohybovat:

• doleva
• doprava
• nebude se pohybovat