Physics For Scientists And Engineers 6E - part 105

 

  Index      Production     Physics For Scientists And Engineers 6E

 

Search            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  103  104  105  106   ..

 

 

Physics For Scientists And Engineers 6E - part 105

 

 

Problems

417

transmit data easily. It moves in a near-circle around the Sun
that  is  smaller  than  the  Earth’s  circular  orbit.  Its  period,
however, is just equal to 1 yr. It is always located between the
Earth and the Sun along the line joining them. Both objects
exert  gravitational  forces  on  the  observatory.  Show  that  its
distance from the Earth must be between 1.47 # 10

9

m and

1.48 # 10

9

m.  In  1772  Joseph  Louis  Lagrange  determined

theoretically  the  special  location  allowing  this  orbit.  The
SOHO  spacecraft  took  this  position  on  February  14,  1996.
Suggestion: Use data that are precise to four digits. The mass
of the Earth is 5.983 # 10

24

kg.

48.

Let ,g

M

represent the difference in the gravitational fields

produced by the Moon at the points on the Earth’s surface
nearest  to  and  farthest  from  the  Moon.  Find  the  fraction
,

g

M

/g, where is the Earth’s gravitational field. (This dif-

ference is responsible for the occurrence of the lunar tides
on the Earth.)

49.

Review problem. Two identical hard spheres, each of mass
and radius r, are released from rest in otherwise empty
space with their centers separated by the distance R. They
are allowed to collide under the influence of their gravita-
tional  attraction.  (a)  Show  that  the  magnitude  of  the  im-
pulse received by each sphere before they make contact is
given  by  [Gm

3

(1/2" 1/R)]

1/2

.  (b)  What  If?  Find  the

magnitude of the impulse each receives if they collide elas-
tically. 

50.

Two spheres having masses and 2and radii and 3R,
respectively,  are  released  from  rest  when  the  distance  be-
tween  their  centers  is  12R.  How  fast  will  each  sphere  be
moving when they collide? Assume that the two spheres in-
teract only with each other.

51.

In  Larry  Niven’s  science-fiction  novel  Ringworld, a  rigid
ring of material rotates about a star (Fig. P13.51). The tan-
gential speed of the ring is 1.25 # 10

6

m/s, and its radius

is  1.53 # 10

11

m.  (a)  Show  that  the  centripetal  accelera-

tion of the inhabitants is 10.2 m/s

2

. (b) The inhabitants of

this ring world live on the starlit inner surface of the ring.
Each person experiences a normal contact force n. Acting
alone, this normal force would produce an inward acceler-
ation  of  9.90 m/s

2

.  Additionally,  the  star  at  the  center  of

the ring exerts a gravitational force on the ring and its in-
habitants.  The  difference  between  the  total  acceleration
and the acceleration provided by the normal force is due
to the gravitational attraction of the central star. Show that
the mass of the star is approximately 10

32

kg.

54. Voyagers 1 and surveyed the surface of Jupiter’s moon Io

and  photographed  active  volcanoes  spewing  liquid  sulfur
to heights of 70 km above the surface of this moon. Find

n

F

g

Star

Figure P13.51

A

B

Figure P13.53

NASA

52.

(a) Show that the rate of change of the free-fall accelera-
tion with distance above the Earth’s surface is 

This rate of change over distance is called a gradient. (b) If
is small in comparison to the radius of the Earth, show
that  the  difference  in  free-fall  acceleration  between  two
points separated by vertical distance is

(c) Evaluate this difference for ! 6.00 m, a typical height
for a two-story building.

53.

A ring of matter is a familiar structure in planetary and stel-
lar  astronomy.  Examples  include  Saturn’s  rings  and  a  ring
nebula. Consider a uniform ring of mass 2.36 # 10

20

kg and

radius 1.00 # 10

8

m. An object of mass 1 000 kg is placed at

a point on the axis of the ring, 2.00 # 10

8

m from the cen-

ter of the ring (Figure P13.53). When the object is released,
the attraction of the ring makes the object move along the
axis  toward  the  center  of  the  ring  (point  B).  (a)  Calculate
the  gravitational  potential  energy  of  the  object–ring  system
when the object is at A. (b) Calculate the gravitational poten-
tial energy of the system when the object is at B. (c) Calcu-
late the speed of the object as it passes through B.

# ,# !

2GM

E

h

R

E

 

3

dg

dr

! "

2GM

E

R

E

 

3

418

CHAPTE R 13 •  Universal Gravitation

the speed with which the liquid sulfur left the volcano. Io’s
mass is 8.9 # 10

22

kg, and its radius is 1 820 km.

55.

As an astronaut, you observe a small planet to be spherical.
After  landing  on  the  planet,  you  set  off,  walking  always
straight ahead, and find yourself returning to your space-
craft  from  the  opposite  side  after  completing  a  lap  of
25.0 km.  You  hold  a  hammer  and  a  falcon  feather  at  a
height of 1.40 m, release them, and observe that they fall
together  to  the  surface  in  29.2 s.  Determine  the  mass  of
the planet.

56.

A  certain  quaternary  star  system  consists  of  three  stars,
each of mass m, moving in the same circular orbit of radius
about  a  central  star  of  mass  M.  The  stars  orbit  in  the
same  sense,  and  are  positioned  one  third  of  a  revolution
apart from each other. Show that the period of each of the
three stars is given by

57. Review problem. A cylindrical habitat in space 6.00 km in

diameter  and  30 km  long  has  been  proposed  (by  G.  K.
O’Neill, 1974). Such a habitat would have cities, land, and
lakes on the inside surface and air and clouds in the cen-
ter. This would all be held in place by rotation of the cylin-
der about its long axis. How fast would the cylinder have to
rotate to imitate the Earth’s gravitational field at the walls
of the cylinder?

58.

Newton’s law of universal gravitation is valid for distances
covering  an  enormous  range,  but  it  is  thought  to  fail  for
very  small  distances,  where  the  structure  of  space  itself  is
uncertain.  Far  smaller  than  an  atomic  nucleus,  this
crossover  distance  is  called  the  Planck  length.  It  is  deter-
mined  by  a  combination  of  the  constants  G,  c,  and  h,
where  is  the  speed  of  light  in  vacuum  and  is  Planck’s
constant (introduced in Chapter 11) with units of angular
momentum. (a) Use dimensional analysis to find a combi-
nation of these three universal constants that has units of
length.  (b)  Determine  the  order  of  magnitude  of  the
Planck length.  You will need to consider noninteger pow-
ers of the constants.

59.

Show that the escape speed from the surface of a planet of
uniform  density  is  directly  proportional  to  the  radius  of
the planet.

60.

Many people assume that air resistance acting on a moving
object will always make the object slow down. It can actu-
ally  be  responsible  for  making  the  object  speed  up.  Con-
sider  a  100-kg  Earth  satellite  in  a  circular  orbit  at  an  alti-
tude of 200 km. A small force of air resistance makes the
satellite  drop  into  a  circular  orbit  with  an  altitude  of
100 km. (a) Calculate its initial speed. (b) Calculate its fi-
nal speed in this process. (c) Calculate the initial energy of
the satellite–Earth system. (d) Calculate the final energy of
the  system.  (e)  Show  that  the  system  has  lost  mechanical
energy  and  find  the  amount  of  the  loss  due  to  friction.
(f) What  force  makes  the  satellite’s  speed  increase?  You
will  find  a  free-body  diagram  useful  in  explaining  your
answer.

Two hypothetical planets of masses m

1

and m

2

and radii

r

1

and  r

2

,  respectively,  are  nearly  at  rest  when  they  are  an 

61.

! 2% 

r

3

g

!

m/

√3

"

 

infinite distance apart. Because of their gravitational attrac-
tion,  they  head  toward  each  other  on  a  collision  course. 
(a) When their center-to-center separation is d, find expres-
sions  for  the  speed  of  each  planet  and  for  their  relative
speed. (b) Find the kinetic energy of each planet just before
they  collide,  if  m

1

!

2.00 # 10

24

kg,  m

2

!

8.00 # 10

24

kg, 

r

1

!

3.00 # 10

6

m,  and  r

2

!

5.00 # 10

6

m.  (Note: Both  en-

ergy and momentum of the system are conserved.)

62.

The maximum distance from the Earth to the Sun (at our
aphelion)  is  1.521 # 10

11

m,  and  the  distance  of  closest

approach (at perihelion) is 1.471 # 10

11

m. If the Earth’s

orbital speed at perihelion is 3.027 # 10

4

m/s, determine

(a)  the  Earth’s  orbital  speed  at  aphelion,  (b)  the  kinetic
and potential energies of the Earth–Sun system at perihe-
lion,  and  (c)  the  kinetic  and  potential  energies  at  aphe-
lion. Is the total energy constant? (Ignore the effect of the
Moon and other planets.)

63.

(a)  Determine  the  amount  of  work  (in  joules)  that  must
be  done  on  a  100-kg  payload  to  elevate  it  to  a  height  of
1 000 km  above  the  Earth’s  surface.  (b)  Determine  the
amount of additional work that is required to put the pay-
load into circular orbit at this elevation.

64.

X-ray pulses from Cygnus X-1, a celestial x-ray source, have
been recorded during high-altitude rocket flights. The sig-
nals can be interpreted as originating when a blob of ion-
ized matter orbits a black hole with a period of 5.0 ms. If
the blob were in a circular orbit about a black hole whose
mass is 20M

Sun

, what is the orbit radius?

65.

Studies  of  the  relationship  of  the  Sun  to  its  galaxy—the
Milky Way—have revealed that the Sun is located near the
outer  edge  of  the  galactic  disk,  about  30 000  lightyears
from the center. The Sun has an orbital speed of approxi-
mately  250 km/s  around  the  galactic  center.  (a)  What  is
the period of the Sun’s galactic motion? (b) What is the or-
der  of  magnitude  of  the  mass  of  the  Milky  Way  galaxy?
Suppose  that  the  galaxy  is  made  mostly  of  stars  of  which
the Sun is typical. What is the order of magnitude of the
number of stars in the Milky Way?

66.

The oldest artificial satellite in orbit is Vanguard I, launched
March 3, 1958. Its mass is 1.60 kg. In its initial orbit, its min-
imum distance from the center of the Earth was 7.02 Mm,
and its speed at this perigee point was 8.23 km/s. (a) Find
the total energy of the satellite–Earth system. (b) Find the
magnitude  of  the  angular  momentum  of  the  satellite. 
(c) Find its speed at apogee and its maximum (apogee) dis-
tance from the center of the Earth. (d) Find the semimajor
axis of its orbit. (e) Determine its period.

67.

Astronomers  detect  a  distant  meteoroid  moving  along  a
straight line that, if extended, would pass at a distance 3R

E

from the center of the Earth, where R

E

is the radius of the

Earth.  What  minimum  speed  must  the  meteoroid  have  if
the  Earth’s  gravitation  is  not  to  deflect  the  meteoroid  to
make it strike the Earth?

68.

A  spherical  planet  has  uniform  density  ).  Show  that  the
minimum period for a satellite in orbit around it is

independent of the radius of the planet.

T

min

!

3%
G)

Answers to Quick Quizzes

419

70.

(a) A 5.00-kg object is released 1.20 # 10

7

m from the cen-

ter of the Earth. It moves with what acceleration relative to
the Earth? (b) What If? A 2.00 # 10

24

kg object is released

1.20 # 10

7

m from the center of the Earth. It moves with

what  acceleration  relative  to  the  Earth?  Assume  that  the
objects behave as pairs of particles, isolated from the rest
of the Universe.

71.

The  acceleration  of  an  object  moving  in  the  gravita-

tional field of the Earth is

where is the position vector directed from the center of
the  Earth  toward  the  object.  Choosing  the  origin  at  the
center of the Earth and assuming that the small object is
moving  in  the  xy plane,  we  find  that  the  rectangular
(Cartesian) components of its acceleration are

Use a computer to set up and carry out a numerical pre-
diction  of  the  motion  of  the  object,  according  to  Euler’s

a

x

! "

GM

E

x

(x

2

&

y

2

)

3/2

        a

y

! "

GM

E

y

(x

2

&

y

2

)

3/2

a ! "

GM

E

r

r

3

method. Assume the initial position of the object is ! 0
and ! 2R

E

, where R

E

is the radius of the Earth. Give the

object  an  initial  velocity  of  5 000 m/s  in  the  direction.
The time increment should be made as small as practical.
Try 5 s. Plot the and coordinates of the object as time
goes on. Does the object hit the Earth? Vary the initial ve-
locity until you find a circular orbit.

Answers to Quick Quizzes

13.1 (d). The gravitational force exerted by the Earth on the

Moon  provides  a  net  force  that  causes  the  Moon’s  cen-
tripetal acceleration.

13.2 (e). The gravitational force follows an inverse-square be-

havior,  so  doubling  the  distance  causes  the  force  to  be
one fourth as large.

13.3 (c).  An  object  in  orbit  is  simply  falling  while  it  moves

around  the  Earth.  The  acceleration  of  the  object  is  that
due  to  gravity.  Because  the  object  was  launched  from  a
very tall mountain, the value for is slightly less than that
at the surface.

13.4 (a). Kepler’s third law (Eq. 13.8), which applies to all the

planets, tells us that the period of a planet is proportional
to  a

3/2

.  Because  Pluto  is  farther  from  the  Sun  than  the

Earth, it has a longer period. The Sun’s gravitational field
is much weaker at Pluto than it is at the Earth. Thus, this
planet  experiences  much  less  centripetal  acceleration
than the Earth does, and it has a correspondingly longer
period.

13.5 (a).  From  Kepler’s  third  law  and  the  given  period,  the

major axis of the asteroid can be calculated. It is found to
be  1.2 # 10

11

m.  Because  this  is  smaller  than  the

Earth–Sun  distance,  the  asteroid  cannot  possibly  collide
with the Earth.

13.6 (b).  From  conservation  of  angular  momentum,  mv

p

r

p

!

mv

a

r

a

, so that v

p

!

(r

a

/r

p

)v

a

!

(4D/D)v

a

!

4v

a

.

13.7 (a)  Perihelion.  Because  of  conservation  of  angular  mo-

mentum,  the  speed  of  the  comet  is  highest  at  its  closest
position  to  the  Sun.  (b)  Aphelion.  The  potential  energy
of the comet–Sun system is highest when the comet is at
its farthest distance from the Sun. (c) Perihelion. The ki-
netic energy is highest at the point at which the speed of
the  comet  is  highest.  (d)  All  points.  The  total  energy  of
the system is the same regardless of where the comet is in
its orbit.

CM

v

2

M

v

1

r

1

r

2

d

m

Figure P13.69

Two stars of masses and m, separated by a distance d, re-
volve  in  circular  orbits  about  their  center  of  mass  (Fig.
P13.69). Show that each star has a period given by

Proceed  as  follows:  Apply  Newton’s  second  law  to  each
star. Note  that  the  center-of-mass  condition  requires  that
Mr

2

!

mr

1

, where r

1

&

r

2

!

d.

T

2

!

4%

 

2

d

 

3

G(m)

69.

Chapter 14

Fluid Mechanics

C H A P T E R   O U T L I N E

14.1 Pressure

14.2 Variation of Pressure with

Depth

14.3 Pressure Measurements

14.4 Buoyant Forces and

Archimedes’s Principle

14.5 Fluid Dynamics

14.6 Bernoulli’s Equation

14.7 Other Applications of Fluid

Dynamics

420

These hot-air balloons float because they are filled with air at high temperature and are

surrounded by denser air at a lower temperature. In this chapter, we will explore the buoyant
force that supports these balloons and other floating objects. (Richard Megna/Fundamental
Photographs)

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  103  104  105  106   ..