Действием каких сил обусловлено движение планет солнечной системы вокруг солнца
В Солнечную систему входят Солнце, девять больших планет, их спутники, тысячи астероидов, миллиарды комет, бессчетное количество пылинок, льдинок и просто заряженных частиц. Более подробно читайте здесь
Закон всемирного тяготения
Почти все в Солнечной системе вращается вокруг Солнца. У некоторых планет есть спутники, но и они, совершая свой путь вокруг планеты, вместе с нею движутся вокруг Солнца. Солнце обладает массой, превосходящую массу всего прочего населения Солнечной системы . Благодаря этому Солнце заставляет планеты и все остальное двигаться по орбитам вокруг себя. В космических масштабах масса является главной характеристикой тел, потому что все небесные тела подчиняются закону всемирного тяготения .
По этому закону, открытому английским физиком Исааком Ньютоном , все тела, обладающие массой, притягиваются силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Такое взаимодействие называют гравитационным, а силу – гравитацией . Если Вы хоть немного знакомы с физикой, Вас не утомит математическая
Мы не замечаем того, что, скажем, два человека гравитационно притягиваются между собою. Если люди и тянутся друг к другу, то физикой этого не объяснить. Однако опыты по определению силы, с которой притягиваются подвешенный отвесно груз и огромная скала провести вполне возможно. Гравитация – сила, которая становится заметной для больших масс .
Не впадите в еще одно распространенное заблуждение, которое заключается в утверждении, что при взаимодействии двух тел разных масс более тяжелое действует на легкое тело с большей силой , чем легкое действует на тяжелое. Это неверно. Силы, с которыми действуют друг на друга два тела , одинаковы. Посмотрите на формулу. В любом случае массы тел перемножаются .
Но Вы спросите, отчего же тогда планетам не вращаться вместе с Солнцем, скажем, вокруг Земли, ведь сила , с которой действует Земля на Солнце , равна силе, с которой Солнце действует на Землю. Это так, силы равны. Но действие этих сил различно. Пните ногой мяч. А потом с той же силой ударьте по бетонному блоку. Как говорится, почувствуйте разницу. Одной и той же силы достаточно для того, чтобы сдвинуть Землю, но ее же не хватит для того, чтобы заметно побеспокоить Солнце. Массы у них разные. Когда камень падает на Землю, он подчиняется закону всемирного тяготения. Он тоже действует на Землю, но ее движение навстречу камню ничтожно мало . Поэтому мы говорим, что камень падает на Землю.
Теперь остановимся на том, в каком направлении действует сила гравитации. Эта сила прилагается к одному из взаимодействующих тел и направлена в сторону другого. К этому другому приложена такая же по величине сила , но она направлена в сторону первого. Силы направлены по прямой линии, соединяющей взаимодействующие тела . А если т ак, тогда отчего же всё в Солнечной системе не падает на Солнце?
Всё обязательно попадало бы на Солнце, если бы это всё стояло на месте. Действующая сила пытается изменить скорость тела, стремясь ее развернуть по направлению силы. Бросая камень, мы заметим, что тот не падает у наших ног, а описывает в воздухе кривую линию. Сила притяжения постепенно изменила направление и величину скорости камня , и тот упал на некотором расстоянии от нас. Чем большую скорость мы сообщим камню, бросая его, тем дольше придется гравитации менять направление скорости, тем дальше от нас камень ударится о Землю. А теперь вспомним про то , что Земля не плоская , а круглая. Что если мы с такой силой бросим камень, что за каждую секунду гравитация будет приближать его к Земле на такое же расстояние, на какое кривая поверхность Земли будет уходить от камня ? В таком случае камень будет двигаться по окружности вокруг Земли, не падая на нее. Это движение будет происходить под действием силы гравитационного притяжения. Камень будет пытаться лететь в сторону от Земли, а гравитация с таким же усердием будет стремиться искривить путь камня в сторону поверхности. К такому заключению, в частности, пришел И. Ньютон в своем мысленном бросании камней с высокой горы. Итак , Солнце искривляет движение планет , не давая им разлететься во все стороны.
1.
Орбиты планет представляют собою более сложные фигуры, чем окружность. , (то есть до открытия Ньютоном закона всемирного тяготения ) Иоганн Кеплер впервые решился пересмотреть причины движения планет вокруг Солнца, Луны вокруг Земли. Он ошибался в оценке природы притягивающей силы, но догадывался, что Солнце искажает притяжением пути планет, которые стремятся двигаться по прямой. Кеплер на основе результатов кропотливых и многолетних наблюдений Тихо Браге за планетой Марс смог определить форму его орбиты . После длительных расчетов, ошибок, разочарований, перебора множества вариантов (математика не давала в то время возможности идти другим путем ), Кеплер достиг согласования своих результатов и записей о наблюдениях датского астронома. Орбита оказалась эллипсом . Солнце Кеплер расположил в одном из фокусов эллипса. Таким образом, появился первый эмпирический (то есть выведенный из наблюдений ) з акон Кеплера : любая планета движется по орбите в виде эллипса, в одном из фокусов которого находится Солнце . Падающий на землю после нашего броска камень до момента падения описывает в воздухе траекторию, являющуюся малой частью эллипса, в одном из фокусов которого находится центр Земли.
Эллипс — геометрическая фигура, свойство которой состоит в том, что сумма расстояний от любой точки эллипса до двух особых точек, именуемых фокусами эллипса ( F ), является величиной постоянной. У эллипса еще выделяют точку центра ( С ). Основным же понятием для этой фигуры является эксцентриситет. Эксцентриситет — параметр, являющийся характеристикой вытянутости эллипса. Он равен отношению расстояния от центра эллипса до его фокуса к длине большой полуоси ( a ) или отношению корня из разности квадратов большой и малой ( b ) полуосей к длине большой полуоси:
Надо сказать, что в случае планет отличие орбит от окружностей невелико ( е несильно отличается от нуля). Значительную вытянутость имеют лишь орбиты Меркурия ( е=0,206 ) и Плутона ( е=0,25 ). Орбиты астероидов и комет могут иметь различную вытянутость. Кометные орбиты часто имеют как параболическую, так и гиперболическую форму. Под гравитационным действием планет кометы иногда искажают свой путь, ускоряются или замедляются. Результатом этого и может послужить сильное изменение формы орбиты.
Вспомним также, что гравитационное взаимодействие присуще всем телам, обладающим массами. Из-за этого орбиты всех тел Солнечной системы постоянно меняются: все планеты действуют друг на друга. Такое действие (малое, по сравнению с действием Солнца) называют возмущающим . А изменения в пути небесных тел возмущениями . Например, возмущающая сила гравитационного притяжения Юпитера значительно меняет орбиты астероидов. Действие на Луну Земли и Солнца делают совершенно непригодными для расчетов ее орбиты законы Кеплера .
2.
Изучая по наблюдениям закономерности движения планет, Кеплер смог открыть и такое правило: за любые равные промежутки времени линия, соединяющая Солнце с планетой, покрывает равные по площади участки внутри эллипса . Это второй закон Кеплера или закон площадей . Он предвосхитил собою позднее выведенный закон сохранения момента импульса, на котором мы здесь останавливаться не станем. Следствие из этого закона такое: чем ближе планета к Солнцу, тем быстрее она движется. Догадываетесь почему?
Интересно, что закон площадей Кеплер открыл раньше, чем форму планетных орбит . Справа Вы видите движение кометы Галлея вокруг Солнца и орбиты планет: Юпитера, Сатурна, Нептуна, Урана и Плутона.
3.
Наконец, Кеплер отметился еще и третьим законом планетных движений. Он вычислил, что отношения кубов больших полуосей орбит и квадратов периодов обращения планет вокруг Солнца – величины равные . Или
Повторим, что законы Кеплера – следствие его непревзойденного усердия в математической обработке результатов наблюдений. Это – наблюдательные законы. Они отображают закономерности, но не выявляют причин. После появления закона всемирного тяготения стало очевидным, что законы Кеплера – лишь следствие физического свойства любых тел, обладающих массами, притягиваться друг другом.
Обобщенный третий закон Кеплера
Законы Кеплера верны для описания группы тел, масса одного их которых во много раз больше массы остальных . В случае Солнечной системы таким массивным телом является Солнце. Для того чтобы, скажем, описать движение двух близких друг к другу звезд, законов Кеплера вообще не достаточно. Ньютон смог “ поправить” своего предшественника, выведя третий закон Кеплера для тел , массы которых надо учитывать. Этот закон называют обобщенным третьим законом Кеплера . В него уже входят значения масс:
Ньютон пошел гораздо дальше Кеплера . Он смог доказать что, при достижении некоторой скорости тело начинает двигаться вокруг центра вращения не по эллипсу, а по параболе. Эта скорость всецело зависит от массы центрального тела и расстояния до него :
Давайте сделаем шаг назад от эллипсов, к круговой орбите . Ту скорость, которая соответствует круговому движению, называют первой космической скоростью . Она определяется из похожего соотношения: Для поверхности Земли первая космическая или круговая скорость . Диапазон скоростей между этой величиной и второй космической соответствует движению тела по эллипсу.
Наконец, превысив вторую космическую скорость, мы получаем гиперболическую траекторию движения . Заметьте, что в приведенных выше формулах (космические скорости, закон всемирного тяготения, обобщенный закон Кеплера ) расстояния отсчитываются от центра небесных тел ( Земли, Солнца ) , а не от их поверхности . поверхности , .
Для планеты и Солнца существует и третья космическая скорость . Эта скорость соответствует параболической скорости по отношению к Солнцу на расстоянии радиуса планетной орбиты. Она равна для Земли . Если учесть, что Земля уже несется по орбите, покрывая за секунду , то, запуская ракету в направлении движения Земли по орбите, нам достаточно придать ей скорость, превышающую , чтобы эта ракета смогла покинуть Солнечную систему . Впрочем, мы можем и еще выиграть в скорости, если вспомним, что Земля вращается вокруг оси. Точки на экваторе нашей планеты движутся наиболее быстро : почти . Поэтому, желая совершить наиболее экономичный запуск ракеты с Земли к звездам , мы должны были бы расположить стартовую площадку на экваторе, обеспечить направление запуска по касательной к поверхности , нацеленной на восток, и нажать на кнопку пуск в полночь. Попытайтесь сами сначала объяснить себе, почему именно так, а не иначе, а потом. найти то обстоятельство, которое мы не учли, и из-за которого все получится совсем не так.
Итак, мы выяснили, что все движения в Солнечной системе подчиняются закону всемирного тяготения. Исходя из малой массы планет и тем более прочих тел Солнечной системы, можно приближенно считать, что движения в околосолнечном пространстве подчиняются законам Кеплера . Все тела движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце. Чем ближе к Солнцу небесное тело, тем быстрее его скорость движения по орбите ( планета Плутон, самая далекая из известных, движется в 6 раз медленнее Земли ). Тела могут двигаться и по разомкнутым орбитам: параболе или гиперболе. Это случается в том случае, если скорость тела равна или превышает значение второй космической скорости для Солнца на данном удалении от центрального светила. Если речь идет о спутнике планеты, то и космическую скорость надо рассчитывать относительно массы планеты и расстояния до ее центра .
Источник
Почему планеты вращаются вокруг Солнца?
Сегодня нет ни малейших сомнений в том, что Земля вращается вокруг Солнца. Если еще не так давно, в масштабах истории Вселенной, люди были уверены, что центром нашей Галактики является Земля, то сегодня нет никаких сомнений, что все происходит с точностью до наоборот.
От Птолемея до Ньютона
Представления о том, как расположены планеты на небосводе первым в своем трактате «Великое математическое построение по астрономии», высказал древнегреческий астроном Птолемей. Он первым предположил, что они совершают свои движения по кругу. Но Птолемей ошибочно считал, что все планеты, а также Луна и Солнце движутся вокруг Земли. Долгое время его трактат считался общепринятым как в арабском, так и западном мире.
Точку в этом спорном для человечества факте поставил Николай Коперник. Польский астроном создал свою гелиоцентрическую систему, в которой убедительно доказал, что Земля не является центром Вселенной, а все планеты, по его твердому убеждению, вращаются по орбитам вокруг Солнца. Работа польского ученого «О вращении небесных сфер», была издана в немецком Нюрнберге в 1543 году.
После смерти Коперника его труды продолжил датчанин Тихо Браге. Астроном, являющийся весьма состоятельным человеком, оборудовал принадлежащий ему остров, внушительными бронзовыми кругами, на которые наносил результаты наблюдения за небесными телами. Результаты, полученные Браге, помогли в исследовании математику Иоганну Кеплеру,который вывел три своих знаменитых закона движения планет.
Англичанин Исаак Ньютон, открыв закон всемирного тяготения, существенно продвинул представления человечества об эллиптических орбитах небесных тел. Его объяснения, что приливы и отливы на Земле происходят под влиянием Луны, оказались убедительными для научного мира.
Почему планеты вращаются вокруг Солнца
Как Земля, так и все остальные планеты нашей солнечной системы движутся по своей траектории вокруг Солнца. Скорость их движения и траектория могут быть разными, однако все они держатся у нашего естественного светила.
Движение планет по орбите вокруг Солнца происходит под воздействием двоих сил:
- до центровой (сила тяготения Солнца);
- от центровой (силы инерции во время поступательного движения).
Срок, за который планеты совершают полный оборот вокруг Солнца, естественно различный. У Меркурия, самой ближней к звезде, он составляет 88 земных суток. Наша Земля проходит цикл за 365 дней и 6 часов. Самая крупная в Солнечной системе планета Юпитер завершает свой оборот за 11,9 земных лет. Ну а у Плутона, — наиболее удаленной от Солнца планеты оборот и вовсе составляет 247,7 года. +
Закон всемирного тяготения
Солнце является самым крупным объектом в нашей галактике. Масса нашего светила в разы превышает массу всех остальных тел в совокупности. А в физике, как известно, действует сила всемирного тяготения, которую никто не отменял, в том числе, и для Космоса.
Ее закон гласит, что тела с меньшей массой притягиваются к телам с большей массой. Именно поэтому все планеты, спутники и другие космические объекты и притягиваются к Солнцу, самому крупному из них.
Сила тяготения, к слову, аналогичным образом работает и на Земле.
Вспомните, что происходит с теннисным мячиком, брошенным в воздух. Он падает, притягиваясь к поверхности нашей планеты.
Понимая принцип стремления планет к Солнцу, возникает очевидный вопрос: почему они не падают на поверхность звезды, а движутся вокруг нее по собственной траектории. И этому также имеется вполне доступное объяснение.
Инерция
Согласно теории об образовании нашей звезды, около 4,57 млрд. лет назад в космосе возникло огромное количество пыли, которое постепенно превратилось в диск, а затем – в Солнце. Внешние частички этой пыли стали соединяться между собой, образуя планеты. Уже тогда они по инерции начали вращаться вокруг звезды и продолжают двигаться по той же траектории и сегодня.
Следует также учесть, что все планеты в нашей Солнечной системе движутся, не вокруг светила, а вокруг так называемого центра масс. Каждая при этом, вращаясь вокруг своей оси, слегка раскачиваются (подобно юле). К тому же и сама ось может ненамного смещаться.
Что же касается орбиты каждого из объектов, то траектория их движения зависит от скорости и массы. А эти показатели у всех объектов, как вы понимаете, разные. Вот почему Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца, и никак иначе.
Таким образом, инерционное движение отдалят планету от Солнца, но до центровая сила искривляет траекторию и удерживает планету на орбите. Все планеты вращаются вокруг Солнца в одном направлении, по тому же направлению и обращаются планеты вокруг своей оси (исключение Венера и Уран).
Практически каждая планета в период своего формирования подвергалась множеству ударов астероидов, в результате которых изменялась ее форма и радиус орбиты. Немаловажную роль играет также и тот факт близкого формирования группы планет и большого скопления космического мусора, в результате чего расстояние между ними минимальное, что, в свою очередь, приводит к нарушению гравитационного поля.
Движение планеты Земля вокруг Солнца и его значение
Земля как планета Солнечной системы по расчетам ученых сформировалась более 4,5 млрд лет назад. За это время расстояние от светила практически не изменялось. Скорость движения планеты и сила притяжения Солнца уравновесили ее орбиту. Она не идеально круглая, но стабильная.
Если бы сила притяжения светила была сильнее или скорость Земли заметно уменьшилась, то она бы упала на Солнце. В противном случае она рано или поздно улетела бы в космос, перестав быть частью системы.
Расстояние от Солнца до Земли делает возможным поддержание оптимальной температуры на ее поверхности.
Путь планеты вокруг светила называется орбитой. Траектория этого полета не идеально круглая. Она имеет эллипсность. Максимальная разница составляет 5 млн км.
Самая близкая точка орбиты к Солнцу находится на расстоянии 147 км. Она называется перигелием. Земля ее проходит в январе. В июле планета находится от светила на максимальном отдалении. Наибольшее расстояние — 152 млн км. Эта точка называется афелием.
Вращение Земли вокруг своей оси и Солнца обеспечивает соответственно смену суточных режимов и годовых периодов.
Вращение Земли вокруг Солнца
Для человека движение планеты вокруг центра системы незаметно. Это из-за того, что масса Земли огромна. Тем не менее каждую секунду мы пролетаем в пространстве около 30 км. Это кажется нереальным, но таковы расчеты. В среднем считается, что Земля находится от Солнца на расстоянии около 150 млн км. Один полный оборот вокруг светила она делает за 365 дней.
Точное расстояние, которое наша планета проходит за год, двигаясь вокруг светила, составляет 942 млн км. Мы вместе с ней движемся в пространстве по эллиптической орбите со скоростью 107 000 км/час. Направление вращения — с запада на восток, то есть против условной часовой стрелки.
Таким образом, наша планета находится в постоянном движении. Вместе с Солнцем она перемещается в космосе вокруг центра Галактики. А та, в свою очередь, движется во Вселенной. Но наибольшее значение для всего живого играет вращение Земли вокруг Солнца и собственной оси. Без этого движения условия на планете были бы непригодными для поддержания жизни.
Видео
Источник