ВсОШ 2026, 11 класс, теоретический тур, задача 2

Потенциальная задача

Эллиптическая галактика обладает сферической симметрией, а ее гравитационый потенциал задается выражением

где — полная масса галактики, кпк. Известно, что на круговой орбите радиуса кпк скорость равна км/с.

Справочные данные (физические постоянные и единицы измерения): открыть PDF.

A. Определите полную массу галактики.

Для автопроверки введите массу в единицах кг, округлив до десятых. Обоснование запишите в следующем поле.

Войдите, чтобы проверять ответы

A. Обоснование. Запишите связь круговой скорости с потенциалом и вычисление массы. Проверка решения — вручную по официальным критериям пункта A.

Фото или PDF, до 20 МБ на файл, до 10 файлов. Ответ проверят вручную.
Войдите, чтобы проверять ответы
Ответ

Решение.

A. Определим зависимость круговой скорости от расстояния до центра галактики. Для этого на круговой орбите приравняем гравитационное ускорение и центростремительное и учитывая, что сила связана с производной потенциала по расстоянию:

Орбита плоская, расстояние от центра галактики равно галактоосевому расстоянию: мы просто можем рассматривать плоскость орбиты как плоскость симметрии потенциала.

Получаем выражение для массы:

1

К1. Определение массы галактики.

4
2

Связь круговой скорости и производной от потенциала.

2
3

Вычисление верного значения массы в любых подходящих единицах.

2
Максимум: 4

B. Представим, что с расстояния на центр галактики с нулевой начальной скоростью радиально падает частица. Чему будет равна ее скорость, когда она достигнет центра галактики? Вычислите эту скорость для случая .

В этом поле запишите общий ответ формулой и обоснование. Числовой результат для введите ниже. Формула и обоснование проверяются вручную; официальные критерии относятся ко всему пункту B.

Фото или PDF, до 20 МБ на файл, до 10 файлов. Ответ проверят вручную.
Войдите, чтобы проверять ответы
Ответ

Решение.

B. Рассмотрим прямолинейное падение с нулевой начальной скоростью с , . Энергия в расчете на единицу массы составляет

Скорость падения

В центре галактики скорость составит

При :

1

К2. Оценка скорости в центре галактики.

3
2

Запись верного закона сохранения энергии.

1
3

Получение верной формулы для скорости в центре галактики.

1
4

Вычисление верного значения скорости в любых подходящих единицах.

1
Максимум: 3

B. Числовой результат. Для введите скорость в единицах км/с, округлив до десятых. Это автопроверка числового результата пункта B.

Войдите, чтобы проверять ответы

C. Пусть звезда движется по близкой к круговой орбите радиуса кпк; , — отклонения в плоскости орбиты по радиусу и по азимуту. Оцените период колебаний звезды вдоль радиуса галактики.

Запишите оценку периода с единицами, формулы и обоснование. Ответ проверяется вручную.

Фото или PDF, до 20 МБ на файл, до 10 файлов. Ответ проверят вручную.
Войдите, чтобы проверять ответы
Ответ

Решение.

C. Запишем уравнения движения в плоскости орбиты для начальной круговой орбиты радиуса :

В сферически-симметричном потенциале момент импульса , равный , сохраняется, используем это для записи соотношения для отклонения по радиусу на близкой к круговой орбите.

используем приближение :

Вычтем первое уравнение системы круговой орбиты из полученного соотношения, останется выражение

Это уравнение колебаний, коэффициент перед — квадрат частоты . Вычислим вторую производную:

Далее, выразим через производную потенциала:

и соберем выражение для квадрата частоты:

Подставим численные значения:

1

К3. Оценка периода колебаний.

4
2

Верная запись уравнений движения в цилиндрической системе координат.

1
3

Верная запись уравнений для движения по близкой к круговой орбите.

1
4

Вывод частоты или периода колебаний через параметры потенциала.

1
5

Вычисление верного значения периода в любых подходящих единицах.

1
Максимум: 4

D. Определите, при каких значениях круговая орбита звезды радиуса является устойчивой.

Запишите условие устойчивости и обоснование. Ответ проверяется вручную.

Фото или PDF, до 20 МБ на файл, до 10 файлов. Ответ проверят вручную.
Войдите, чтобы проверять ответы
Ответ

Решение.

D. Эффективный потенциал в случае вращения имеет вид

На круговой орбите радиуса силы уравновешивают друг друга, из чего следует

Определим условие, при котором круговая орбита будет устойчивой: она должна соответствовать «локальной потенциальной яме», при этом .

Вторая производная имеет вид

Для круговой орбиты

Для выполнения условия устойчивости нужно выполнение неравенства

Так как и , неравенство выполняется всегда.

Таким образом, в выбранном потенциале все круговые орбиты устойчивы.

1

К4. Анализ устойчивости круговых орбит.

4
2

Вывод о необходимости нахождения в потенциальной яме.

1
3

Вывод формулы для второй производной с учетом эффективного потенциала.

2
4

Верный вывод об устойчивости всех круговых орбит.

1
5

Допустимо ссылаться на результаты пункта C, явно указав, что положительность квадрата частоты колебаний достигается для всех круговых орбит и радиальное смещение приводит к ограниченным по амплитуде колебаниям. Обоснованное решение такого вида оценивается полным баллом за данный критерий.

-
Максимум: 4

Похожие задачи

ВсОШ 2026, 11 класс, теоретический тур, задача 6

Двуликий Янус Вокруг Сатурна по круговым орбитам, расположенным в одной плоскости, вращаются два спутника — Янус и Эпиметей. Интересной особенностью этих спутников является то, что расстояние между их орбитами составляет всего около 50 км, и раз в 4 года за счет гравитационного взаимодействия между

ВсОШ 2026, 11 класс, практический тур, задача 8

Геометрически точно Вам дана заготовка схемы (с указанным масштабом) зеркального телескопа, состоящего из первичного параболического собирающего зеркала диаметром D1=260 см с относительным отверстием 1:3.85 и вторичного рассеивающего гиперболического зеркала с фокусным расстоянием F2

ВсОШ 2026, 11 класс, практический тур, задача 9

Гонки за светом Вам даны радиокарты наблюдений на частоте 22 ГГц джета, вылетающего из активного ядра галактики (АЯГ). Справа от каждой карты подписана дата наблюдения (в годах и долях года). Масштаб по осям абсцисс и ординат одинаков и указан на оси абсцисс, само ядро находится на отметке 0 по оси

№ 6. Полярный геосинхронный спутник

В решении для всех вычислений должна быть представлена формула, где искомая величина записана как явная функция известных величин, записаны подставляемые значения и только потом ответ. Если численные значения получаются из рисунков/графиков, должно быть показано, что именно измерялось. Наблюдатель н