Почему планеты не сталкиваются с Солнцем?
С незапамятных времен планеты нашей звездной системы вращаются вокруг своей единственной звезды. И мы называем это Солнечной системой. Солнце, в свою очередь, вращается вокруг центра галактики Млечный Путь. А еще спутники миллионы лет стабильно вращаются вокруг своих планет. Вроде бы полный порядок, гармония и полная музыка небесных сфер.
Но… Почему все эти спутники не разбиваются о своих хозяев?
Солнце всегда притягивает Землю
Движение Земли вокруг Солнца можно довольно легко проиллюстрировать. Просто привяжите тяжелый предмет к одному концу веревки. И раскрутите его вокруг себя. Перемещайте его по кругу, удерживая веревку с грузом на другом конце. Если Вы будете вращаться слишком быстро, то заметите, что объект на конце веревки попытается покинуть Вас. Потому что на него будет действовать центробежная сила. Однако, если Вы будете вращаться слишком медленно, объект не сможет долго оставаться в воздухе. А непременно захочет закопаться в придорожную пыль. Но если Вы наберете правильную скорость, то заметите, что объект вращается на натянутой веревке без ощущения очень сильной центробежной силы.
Точно так же и наша планета (как и все объекты, которые вращаются вокруг нашей звезды) постоянно притягиваются к Солнцу. Если бы наша планета была неподвижна по отношению к своей звезде, она бы просто столкнулась с ней под действием силы тяжести. Но, на самом деле, она движется по почти круговой орбите со скоростью около 30 км/с по отношению к его центру. Наша планета движется недостаточно быстро, чтобы преодолеть гравитацию нашей звезды. Но при этом она движется достаточно быстро, чтобы Солнце могло просто притянуть ее.
Однако все планеты падают
Однако, на самом деле, с точки зрения обыкновенной физики, все планеты постоянно «падают» на Солнце. На самом деле и Международная космическая станция постоянно падает на Землю. Спутники, которые вращаются вокруг нашей планеты, тоже непрерывно на нее падают. Даже Луна падает на нашу планету. Точно так же Солнце падает в центр Галактики. И так далее. До бесконечности. Просто траектория этого падения замкнута.
На самом деле не только Солнце притягивает Землю. Но и Земля — Солнце. Но поскольку масса Земли ничтожна по сравнению с массой нашего светила, центр масс этой системы находится где-то рядом с центром Солнца. Ту же картину можно наблюдать и при анализе системы Земля — Луна.
Если бы гравитация Солнца внезапно стала больше, это привело бы к тому, что Земля (как и остальные планеты) резко приблизилась бы к Солнцу. Однако тут вмешалось бы правило сохранения углового момента. Оно увеличило бы скорость движения Земли . И она продолжила бы вращаться вокруг Солнца. Но гораздо быстрее.
Как появилось первоначальное движение?
Как же так получилось, что Земля движется по очень стабильной орбите? И никогда не приближается к Солнцу, и не удаляется от него?
На само деле это не совсем так. В течение года мы приближаемся немного ближе к нашей звезде, или оказываемся чуть дальше от него. Но в сумме это расстояние всегда примерно одинаково. И так происходит на протяжении миллиардов лет. Да, орбита Земли, — это не идеальный круг. Этот же принцип применим и к движению Солнца вокруг центра нашей Галактики. Если бы мы могли остановить Землю (относительно Солнца), а затем позволить ей свободно двигаться, наша планета непременно столкнулась бы со своей звездой.
Земля (как и планеты, астероиды и т.д.) родилась из материала, который изначально вращался вокруг Солнца. Мы называем этот материал, который имел форму гигантского кольца, окружающего звезду, аккреционным или протопланетным диском . И это обычное явление у молодых звезд. Этот аккреционный диск имел стабильное спокойное вращение. Таким образом, первоначальное движение является не чем иным, как следствием поддержания начальной орбитальной энергии планетезималей, которые объединялись и сталкивались, пока не сформировали Землю. Также образовались и все остальные планеты Солнечной системы.
Друзья! Если вам понравилась эта статья, обязательно оставьте комментарий вот по этой ссылке . Это можно сделать с использованием Вашей учетной записи Яндекс, Вконтакте, Фейсбук, Одноклассники.
Ставьте лайк и обязательно поделитесь ей в социальных сетях!
А еще Вам могут понравиться эти статьи:
Источник
6 Средний уровень
Решебник по физике Л.А. Кирик Самостоятельные и контрольные работы
1. а) Под действием какой силы изменяется направление движения искусственных спутников Земли?
б) Имеет ли вес шарик, висящий на нити? Чему будет равен вес шарика, если нить перерезать?
Имеет т.к. натягивает нить. Во втором случае вес шарика равен 0, нет опоры.
2. а) Какая сила заставляет Землю и другие планеты двигаться вокруг Солнца?
б) Приходилось ли вам испытывать (хотя бы кратковременно) состояние невесомости? Если да, то в каких случаях именно?
При прыжке; во время полета на самолёте, попадая в воздушные ямы.
3. а) Какова природа сил, вызывающих приливы и отливы в морях и океанах на Земле?
Действие силы тяготения.
б) Обладает ли весом мяч, плавающий в реке (см, рисунок)?
Обладает, т.к. плавая в воде, своим весом вытесняет часть воды.
4. а) Почему мы не замечаем притяжения окружающих нас тел друг к другу, хотя притяжение этих же тел к Земле наблюдать легко?
Потому что значение гравитационной постоянной очень мала.
б) Обладает ли весом орел, летящий в воздухе (см. рисунок)?
Обладает, вес равен P= mg
5. а) Как бы двигались планеты, если бы сила притяжения Солнца внезапно исчезла?
Если бы притяжение Солнца исчезло, планеты улетели бы от Солнца, двигаясь по инерции, то есть прямолинейно и равномерно
б) Испытывают ли спортсмены во время прыжков (см. рисунок), состояние невесомости? Объясните свой ответ.
Вес — это сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес. Состояние невесомости заключается в том, что у тела отсутствует вес, при этом сила тяжести никуда не пропадает. Когда спортсмен приземляется на ноги, то он давит на землю. Во время полета попросту отсутствует опора, если пренебречь сопротивлением воздуха. Раз нет опоры, то нет и веса, а значит, спортсмен действительно испытывает состояние, близкое к невесомости.
6. а) Притягивается ли Земля к висящему на ветке персику (см. рисунок)?
В соответствии с законом всемирного тяготения персик притягивает Землю с такой же силой, что и Земля персик, только противоположно направленной.
б) Действует ли сила тяжести на космонавта во время движения космического корабля по орбите? Поясните свой ответ.
Сила тяжести действует и на космонавта и на космический корабль.
Источник
Почему планеты не падают и вращаются вокруг Солнца?
Потому что планеты движутся вокруг Солнца с достаточной горизонтальной скоростью, чтобы как бы падать на неё, но при этом промахиваться и улетать в сторону. Причем промахиваться настолько, что планета пролетает мимо звезды почти на том же расстоянии, на каком она находилась изначально. А Солнце в свою очередь не отпускает планету и держит её в своих цепких гравитационных «лапах». Этот «танец» приводит к тому, что планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. Если бы планеты двигались достаточно медленно, то их траектория стала бы баллистической и планеты бы упали на Солнце.
Так, конечно, объяснять не совсем принято, но я считаю, что всё познаётся в упрощении. Одно из таких знаменитых упрощений — «пушечное ядро Ньютона» — мысленный эксперимент, описанный Сэром Исааком Ньютоном в «Трактате о системе мироздания». В нём великий учёный просит представить пушку, стоящую на высокой горе. Для простоты скажем, что на планете отсутствует атмосфера, ведь она будет только мешать. Также представим, что эта пушка может регулировать силу выстрела. И вот мы выстреливаем первый раз — пушечное ядро пролетает некоторое расстояние и падает на землю. Выстреливаем второй раз, уже с большой силой, — ядро так же падает на землю, но уже на большем расстоянии, чем первое. Логика, я думаю, понятна. Мы можем выстрелить с такой силой, что ядро упадёт на обратной стороне планеты. А можем выстрелить так, что снаряд вылетит с такой скоростью (первой космической¹), что он просто не сможет упасть на поверхность Земли и пролетит мимо неё, вернувшись обратно к пушке. Всё, что нам нужно — вовремя убрать артиллерийское орудие. И ядро так и будет бесконечно вращаться вокруг Земли, то есть двигаться по орбите. Выстрелим ещё сильнее — ядро так же будет вращаться по орбите, но эта орбита уже будет вытянутой (с большим эксцентриситетом²). А если выстрелить слишком сильно, то ядро вылетит уже со второй космической скоростью³, преодолеет гравитационное притяжение Земли и улетит в далёкий космос (будет, как планеты, вращаться вокруг Солнца).
В этом мысленном эксперименте пушка лишь придаёт импульс, выстреливая снаряд с необходимой скоростью. В реальности эту скорость нужному грузу сообщает ракета-носитель, которая по-началу летит вверх, преодолевая плотные слои атмосферы, а потом начинает наклоняться, увеличивая горизонтальную составляющую своей скорости, чтобы выйти на необходимую орбиту.
Кто «выстреливал» планеты? Никто. Планеты образованы из протопланетного диска — остаточного материала формирования нашего Солнца. Этот остаточный материал был частью облака молекулярного газа и в силу определённых причин начал распределяться в экваториальной плоскости молодой звезды, образовав диск. И из этого диска вещества, который изначально вращался вокруг звезды, начали появляться планеты.
Первая космическая скорость¹ — минимальная горизонтальная скорость, которую необходимо придать объекту, чтобы он совершал движение по круговой орбите вокруг планеты.
Эксцентриситет² — числовая характеристика конического сечения, показывающая степень его отклонения от окружности.
Вторая космическая скорость³ — наименьшая скорость, которую необходимо придать объекту, масса которого пренебрежимо мала по сравнению с массой небесного тела (например, планеты), для преодоления гравитационного притяжения этого небесного тела и покидания замкнутой орбиты вокруг него.
Источник
Закон всемирного тяготения
Иоганн Кеплер дал общую картину движения планет и исследовал форму их орбит, но выяснить причину движения планет ему не удалось.
Если бы Земля не притягивала Луну, последняя улетела бы в мировое пространство по направлению к точке А. Но вследствие притяжения Земли Луна отклоняется от прямолинейного пути, еде время впадая» на Землю. Луна движется по некоторой дуге в направлении к точке Б.
Кеплер сравнивал Солнце с гигантским магнитом и склонялся к мысли, что планеты движутся по своим орбитам под влиянием магнитного действия Солнца. По этому поводу различные предположения высказывали и другие ученые. Правильное объяснение этого движения дал гениальный английский математик, физик, астроном и механик Исаак Ньютон. Ознакомимся более подробно с великим открытием Ньютона.
Для выяснения причин движения планет Ньютон использовал закон инерции и законы Кеплера. Согласно закону инерции, всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока какая-либо сила не выведет его из этого состояния.
Ньютон нашел, что сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Это значит, что если бы, например, расстояние между Землей и Луной увеличилось в два раза, то сила тяготения между ними уменьшилась бы в два в квадрате раза (2 2 =2х2), т. е. в четыре раза; с увеличением расстояния в три раза сила тяготения уменьшилась бы в три в квадрате раза (3 2 = 3х3), т. е. в девять раз, и т. д.
Это было доказано Ньютоном не только теоретически, но и посредством сравнений с результатами опыта. Известно, что свободно падающее тело (например, тело, падающее в длинной стеклянной трубке, из которой выкачан воздух) у самой земной поверхности за первую секунду проходит 4,9 м. Луна, как было уже известно Ньютону, находится от центра земного шара на расстоянии 60 земных радиусов, т. е. в 60 раз дальше, чем тело, находящееся на земной поверхности. Поэтому, свободно падая по направлению к Земле, она должна проходить в первую секунду не 4,9 м, а в шестьдесят в квадрате раз (60 2 =3600) меньшее расстояние, т. е. 1,36 мм. Следовательно, Луна, по теории Ньютона, должна была бы падать по направлению к Земле, проходя в первую секунду путь, равный приблизительно 1,36 мм.
Таким образом, Ньютон нашел, что сила земного притяжения действительно смещает Луну с ее прямолинейного пути (пути движения по инерции) за каждую секунду на 1,36 мм. Он нашел, что эти два движения (одно — под действием силы тяготения к Земле, другое — по инерции) складываются и в результате дают криволинейное движение Луны вокруг Земли.
Кометы движутся по орбитам, имеющим форму эллипсов, парабол и гипербол.
Оказалось, что закон тяготения определяет не только движение Луны, но и движение всех небесных тел в солнечной системе.
Это исследование протекало у Ньютона не совсем гладко.
Так как планеты представляют собой гигантские шарообразные тела, то очень трудно было определить, как они притягиваются между собой. В конце концов Ньютону удалось доказать, что шарообразные тела взаимно притягиваются так, как если бы вся их масса была сосредоточена в их центрах.
Кроме того, для нахождения соотношения расстояний от центра земного шара до тел, находящихся на земной поверхности, и до Луны требовалось точное знание длины радиуса Земли. Но размеры Земли тогда еще не были точно определены.
Для своих вычислений Ньютон воспользовался неточной, как потом выяснилось, величиной радиуса земного шара, данной голландским ученым Снеллиусом. Получив неверный результат, Ньютон с горечью отложил эту работу.
Только через 18 лет Ньютон опять возвратился к своим вычислениям. Поводом к этому послужило сообщение в английском Королевском обществе 1 известного французского астронома Пикара, более точно определившего величину земного радиуса. Использовав данные Пикара, Ньютон с большим воодушевлением принялся за свои отложенные вычисления; он заново проделал всю работу и доказал правильность своего предположения.
Схема движения планеты под действием притяжения Солнца: П — планета; ПН — путь планеты, если бы она двигалась прямолинейно и равномерно (по закону инерции); ПЛ— путь планеты, если бы у нее не было собственной скорости и она испытывала бы только притяжение Солнца; ПА — путь, по которому планета движется в действительности. Ломаная линия ПАЕВ схематично показывает путь движения планеты.
Но и после этого Ньютон долго не опубликовывал своего выдающегося открытия. Он старался всесторонне его проверить, применяя выведенный им закон к движению планет вокруг Солнца и к движению спутников Юпитера и Сатурна. И всюду он получал согласие наблюдаемых данных с теорией. Ньютон применил этот закон к движению комет и доказал, что эти тела движутся или по очень вытянутым эллипсам, или по разомкнутым кривым — параболам.
За это же время Ньютон написал большое сочинение по механике. Основываясь на законе тяготения, он сравнил массы Солнца, Земли и планет и дополнил этот закон новым положением: сила тяготения двух тел зависит не только от расстояния между ними, но и от их масс. Ньютон доказал, что сила тяготения двух тел прямо пропорциональна их массам, т. е. она тем больше, чем больше массы взаимно притягивающихся тел. Закон тяготения Ньютона нашел применение во всех случаях движения небесных и земных тел, и потому за ним закрепилось название закона всемирного тяготения.
Земные тела также взаимно притягивают друг друга. Это обнаруживается при очень точных опытах.
Притягиваются между собой и люди. Известно, что два человека, отстоящие друг от друга на один метр, взаимно притягиваются с силой, равной приблизительно одной сороковой доле миллиграмма. Человек, находящийся на поверхности Земли, притягивает ее с силой, равной его весу.
Открытие Ньютона привело к созданию новой картины мира, согласно которой в бесконечном пространстве с громадными скоростями движутся планеты, находящиеся друг от друга на колоссальных расстояниях, но вместе с тем благодаря силе взаимного притяжения они связаны в одну систему.
Закон всемирного тяготения — великий и вечный закон природы. В окончательном виде его можно сформулировать так: всякое тело притягивает другое тело с силой, прямо пропорциональной массам этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Математически закон всемирного тяготения выражается следующей формулой:
где f — коэффициент пропорциональности; m1 и m2 — массы двух тел; r — расстояние между ними.
Солнце удерживает планеты на их орбитах своим притяжением. Если бы этого не было, то планета П (рис. на стр. 357), двигающаяся, например, в направлении ПК, двигалась бы прямолинейно и равномерно (по закону инерции). В первую секунду она переместилась бы из точки П в точку К и наконец покинула бы нашу солнечную систему. Наоборот, если бы планета но имела собственной скорости и испытывала бы только притяжение к Солнцу, то она в первую секунду переместилась бы из точки П в точку Л. Но так как планета одновременно и притягивается к Солнцу и движется, то она будет перемещаться по направлению ПА. Следовательно, планета в конце первой секунды не будет ни в точке К, ни в точке Л, а переместится по диагонали в точку А. Рассуждая подобным же образом, мы придем к выводу, что планета во вторую секунду переместится в точку Б, в третью — в точку В и т. д.
Вот, оказывается, какие силы удерживают планеты, в том числе Землю, на своих орбитах и заставляют их двигаться вокруг Солнца.
Многим из вас, вероятно, приходилось, держа в руке один конец шнурка, заставлять вращаться камешек, привязанный к другому концу шнурка. При вращении шнурок все время находится в состоянии натяжения, но если он вдруг вырвется из рук, то сейчас же вместе с камешком улетит прочь. Нечто подобное произошло бы и с планетами, в том числе и с Землей, если бы Солнце вдруг перестало их притягивать. Но этого не может быть, так как притяжение — неотъемлемое свойство материи, неотъемлемое свойство Солнца, Земли и всех других тел. Поэтому притяжение Солнца не может быть приостановлено. Сила тяготения Солнца действует непрерывно, постоянно, и, следовательно, планетам не могут угрожать подобные катастрофы. Солнце своей силой притяжения все время удерживает планеты в среднем на одном и том же расстоянии, подобно тому как натяжение шнурка удерживает камешек.
Если вращать шнур с грузом на конце, то шнур будет натянут. Но стоит отпустить его, как груз улетит прочь. То же самое произошло бы с Землей, если бы сила тяготения Солнца перестала действовать.
Открытием закона всемирного тяготения была окончательно завершена победа новой астрономии и заложено начало новой отрасли астрономии — небесной механики, изучающей движение планет в зависимости не только от притяжения Солнца, но также и от их взаимного тяготения друг к другу.
Свои основные выводы Ньютон изложил в большом труде, который был опубликован в 1687 г. под названием «Математические начала натуральной философии». Этот выдающийся труд Ньютона был издан у нас на русском языке в 1915 г. в переводе академика А. Н. Крылова.
Закон всемирного тяготения применим не только для изучения движения планет, он также применим для исследования движения комет, звезд и других небесных тел. Так, например, на основании этого закона известный английский ученый Галлей еще в конце XVII в. предсказал появление в 1759 г. кометы, именуемой с тех пор кометой Галлея.
Разница между теоретически вычисленным и непосредственно наблюдаемым положением планеты Уран давала повод высказывать сомнения в универсальности закона всемирного тяготения. Петербургский астроном Лексель, наоборот, высказал мысль, что это вызывается притяжением Урана какой-то еще неизвестной планетой. В 1842 г. Гёттингенская академия наук объявила даже премию за математическую разработку теории движения Урана.
За решение этой задачи взялись французский астроном Урбен Леверье (1811—1877) и английский ученый Дж. Адамс (1819—1892).
В результате сложнейших вычислений оба они пришли к выводу, что существует большая планета, отстоящая от Солнца значительно дальше, чем Уран, и указали, где на небе в данное время искать эту планету.
Адамс передал свои вычисления профессорам, которые не придали им должного значения и оставили их без внимания. Леверье же сразу сообщил свои вычисления немецкому астроному Галле. В сентябре 1846 г. Галле получил письмо от Леверье и в тот же вечер при помощи телескопа открыл планету Нептун за Ураном почти в том месте, на которое указывали вычисления Леверье.
Открытие Нептуна служит ярким примером обоснованности научных предвидений. И здесь уместно вспомнить слова В. И. Ленина: «Чудесное пророчество есть сказка. Но научное пророчество есть факт».
В 1842 г. известный немецкий астроном Ф. Бессель (1784—1846), исследуя на основании закона всемирного тяготения неправильности в движении звезды Сириус, пришел к выводу, что у этой звезды имеется невидимый спутник, «заставляющий» ее двигаться по некоторой винтообразной кривой. И действительно, в 1862 г. при помощи мощного телескопа был открыт спутник Сириуса, и притом как раз в том месте, какое указывалось вычислениями Бесселя. Это был новый триумф закона всемирного тяготения. Была доказана его истинность не только для солнечной системы, ной для всех звездных систем.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Источник