Орбита это в астрономии кратко

Обновлено: 05.07.2024

В небесной механике и в космической механике , орбита ( /ɔʁ.bit/ ) является замкнутой кривой , представляющий траекторию , что небесный объект рисует в пространстве под действием силы тяжести и силы инерции. Такая орбита называется периодической. В системе солнечной энергии , на Земле , другие планеты , то астероиды и кометы находятся в орбите вокруг Солнца . Точно так же у планет есть естественные спутники, вращающиеся вокруг них. Искусственные объекты, такие как спутники и космические зонды , вращаются вокруг Земли или других тел Солнечной системы.

Орбита имеет форму эллипса, одна из фокальных точек которого совпадает с центром тяжести центрального объекта. С релятивистской точки зрения орбита - это геодезическая в искривленном пространстве-времени .

Резюме

Исторический

Сложность точного описания движений планет, в частности феномена ретроградации , приводит к сложным представлениям. Греко-римский мир астрономических знаний обобщены в II - го века нашей эры на Птолемея (около 90-168 AD.), В работе , в греческой переданной арабами под названием Альмагест . Известная как модель Птолемея , представление Солнечной системы и движения планет (а также Луны и Солнца ) использует, как и его предшественники, геоцентрическую модель и сложную систему сфер с круговым и равномерным вращением. планетарный и VAS введен Гиппарх ( II е столетие г. до н ), он улучшает вводя понятие экванта , которая является отдельной точкой окружности с центром отводящий , против которого планета, или центр с эпицикла, движется равномерной скоростью. Система Птолемея будет доминировать в астрономии на протяжении четырнадцати веков. Несмотря на свою сложность, он дает удовлетворительные результаты, если необходимо, путем модификации и уточнения модели эпициклов, семявыносящих протоков и равных точек. Считающийся совместимым с философией Аристотеля, геоцентризм стал официальной доктриной церкви в Европе в средние века .

Первый закон: «Планеты описывают эллипсы, в которых Солнце занимает одну из центральных точек. "
Второй закон: «Векторный луч, соединяющий центр планеты с фокусом, описывает равные площади в равное время. "
Третий закон: «Кубики больших полуосей орбит пропорциональны квадрату периодов обращения. "

Кеплеровская орбита

Кеплеровская орбита - это орбита точечного тела, то есть распределение масс которого имеет сферическую симметрию, и подверженного действию гравитационного поля, создаваемого точечной массой, последнее считается источником репозиторий. Другими словами, это орбита тела, находящегося в гравитационном взаимодействии с одним другим телом, при этом каждое тело уподобляется точке.

Кеплеровская орбита каждого тела представляет собой коническую орбиту, один из фокусов которой совпадает с центром масс другого тела, взятого за начало системы отсчета.

Параметры орбиты

Эллиптическая орбита описывается с помощью двух плоскостей - плоскости орбиты и плоскости отсчета - и шести параметров, называемых элементами: большая полуось , эксцентриситет , наклон , долгота восходящего узла , аргумент перицентра и положение объекта на его орбите. Два из этих параметров - эксцентриситет и большая полуось - определяют траекторию в плоскости, три других - наклон, долготу восходящего узла и аргумент перицентра - определяют ориентацию плоскости в пространстве и последний - момент прохождения. в перицентре - определяет положение объекта.

Большая полуось К : половина расстояния между перицентром и апоцентром (наибольший диаметр эллипса). Этот параметр определяет абсолютный размер орбиты. Это имеет смысл только в случае эллиптической или круговой траектории (большая полуось бесконечна в случае параболы или гиперболы ).

Эксцентриситет е : эллипс - это геометрическое место точек, сумма расстояний до двух фиксированных точек, фокусов (ина диаграмме) постоянна. Эксцентриситет измеряет смещение фокусов от центра эллипса (на диаграмме); это отношение расстояния между центром и большой полуосью. Тип траектории зависит от эксцентриситета: S S ′ ПРОТИВ

е знак равно 0 : круговой путь
0 е 1
е знак равно 1 : параболическая траектория
е > 1 1> : гиперболическая траектория

Параметры орбиты искусственного спутника Земли: прямое восхождение восходящего узла ☊, наклонение i, аргумент перигея ω.

Орбита – это путь космического тела в пространстве. Этим понятием можно назвать путь любого объекта, но обычно под ним принято понимать траекторию движения тел, взаимодействующих друг с другом. Примером могут служить орбиты планет, спутников, звезд в системах.

Виды орбит

Орбиты делят на относительные и абсолютные.

Абсолютная орбита – это путь тела в установленной отсчетной системе, которую считают универсальной. Примером такой системы является Вселенная, взятая как единое целое.

Относительная орбита – это траектория тела в системе отсчета, которая движется по искривленной траектории с переменной скоростью. Например, при описании траектории искусственного спутника указывается его движение относительно планеты. В первом приближении – это эллиптическая траектория, в фокусе которой находится Земля, сама плоскость движения относительно звезд считается неподвижной. При таком варианте измерений, очевидно, что траектория движения – это орбита относительного типа, поскольку она определяется по отношению к Голубой планете, которая сама вращается вокруг Солнца. Если же посмотреть на траекторию движения относительно звезд, то наблюдается винтовая траектория – это абсолютная орбита искусственного спутника.

В чем различие

Зная, что такое орбита абсолютная и относительная, возникает вопрос об их различии. Знание этого помогает провести подсчеты траекторий по законам Ньютона. Они применимы только для подсчета абсолютных орбит, но нам привычнее наблюдать относительное движение.

Движение Солнца

Наше Солнце двигается во Вселенной по эклиптике, отражая перемещение Земли вдоль орбиты. При пересечении космической сферы орбитой формируется огромный круг, который называется эклиптикой. Пересечение плоскостей экватора и эклиптики происходит под определенным углом. В тех местах, где это происходит, определяются точки весеннего и осеннего равноденствия. Солнце проходит через эти точки дважды в год: во время перемещения из северного полушария в южное - и в обратном направлении.

Орбита Земли

Орбита нашей планеты представляет собой эллипс, в одном краю которого находится Солнце. Путь до Земли от Солнца на протяжении года изменяется, начиная от 147 млн км до 152 млн км. Орбита длинная, около 930 млн км. Наша планета двигается с запада на восток со скоростью примерно 30 км/с. Все расстояние она преодолевает за 365 дней 6 ч. 9 мин. и 9 с. Это время получило название звездного года.

Еще есть понятие тропического года, которое предполагает временное расстояние между определенными последовательными перемещениями Солнца через точку весеннего равноденствия. Этот временный промежуток равен 365 дням 5 ч. 48 мин. и 46 с.

Календарь

Для отсчета времени люди используют Григорианский календарь, подстроенный под длительность тропического года с небольшим отклонением. Поэтому даже через пятьдесят тысяч лет зима будет приходиться на зимние месяцы, а лето – на летние.

Сейчас земная ось располагается под углом 66.5 градусов к плоскости орбиты. Планета совершает движение на протяжении 365 дней параллельно самой себе в космическом пространстве. Следствием движения Земли вокруг светила является смена времен года и разная длина дня и ночи.

Наклон оси

Из-за наклона земной оси к орбитальной плоскости сохраняется расположение планеты в космическом пространстве. Это же влияет на разные углы падения солнечных лучей на поверхность Земли.

В день летнего солнцестояния ось планеты направлена северной частью к нашему светилу. В день зимнего солнцестояния она направлена к Солнцу южной областью.

Эллиптическая орбита

Учитывая продолжительность дня и ночи, моменты расположения Солнца в разных точках, ученые пришли к выводу, что наша планета движется не по кругу, а по эллиптической орбите. Впервые это описал Кеплер. Он же подсчитал, что Марс и Земля периодически ускоряются и замедляются. В результате проведенных наблюдений, подсчетов, он пришел к выводу, что движение планеты осуществляется не по круговой орбите, а по эллипсу.

Движение тел в космосе

Орбита Солнца

Движение Солнца во Вселенной происходит по Галактической орбите. По отношению к звездам наше светило летит со скоростью 19 км/с в направлении к созвездию Геркулеса. Считается, что вокруг центра Галактики Солнце совершает полный круг за 230 млн лет. Движение звезды по орбите сложное, на траекторию постоянно воздействуют возмущения со стороны массивных космических тел, других звезд, межзвездный газ.

Абсолютные и относительные орбиты.

Необходимость различать абсолютную и относительную орбиты возникает потому, что законы Ньютона верны только в инерциальной системе отсчета, поэтому их можно использовать только для абсолютных орбит. Однако мы всегда имеем дело с относительными орбитами небесных тел, ибо наблюдаем их движение с обращающейся вокруг Солнца и вращающейся Земли. Но если абсолютная орбита земного наблюдателя известна, то можно либо перевести все относительные орбиты в абсолютные, либо представить законы Ньютона уравнениями, верными в системе отсчета Земли.

Абсолютную и относительную орбиты можно проиллюстрировать на примере двойной звезды. Например, Сириус, кажущийся невооруженному глазу одиночной звездой, при наблюдении с большим телескопом оказывается парой звезд. Путь каждой из них можно проследить отдельно по отношению к соседним звездам (принимая во внимание, что и сами они движутся). Наблюдения показали, что две звезды не только обращаются одна вокруг другой, но и перемещаются в пространстве так, что между ними всегда есть точка, движущаяся по прямой линии с постоянной скоростью (рис. 1). Эту точку называют центром масс системы. Практически с ней связана инерциальная система отсчета, а траектории звезд относительно нее представляют их абсолютные орбиты. Чем дальше отходит звезда от центра масс, тем она легче. Знание абсолютных орбит позволило астрономам вычислить по отдельности массы Сириуса А и Сириуса В.

Если же измерять положение Сириуса В относительно Сириуса А, то получим относительную орбиту (рис. 2). Расстояние между этими двумя звездами всегда равно сумме их расстояний от центра масс, поэтому относительная орбита имеет ту же форму, что и абсолютные, а по размеру равна их сумме. Зная размер относительной орбиты и период обращения, можно, используя третий закон Кеплера, вычислить лишь суммарную массу звезд. См. также НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА.

Более сложный пример представляет движение Земли, Луны и Солнца. Каждое из этих тел движется по своей абсолютной орбите относительно общего центра масс. Но поскольку Солнце значительно превосходит всех по массе, принято изображать Луну и Землю в виде пары, центр масс которой движется по относительной эллиптической орбите вокруг Солнца. Однако эта относительная орбита весьма близка к абсолютной. См. также ЛУНА.

Орбиты Луны и планет.

Если бы Земля и Луна были изолированы от гравитационного влияния других тел, узлы лунной орбиты всегда имели бы неизменное положение на небе. Но из-за влияния Солнца на движение Луны происходит обратное движение узлов, т.е. они перемещаются по эклиптике на запад, совершая полный оборот за 18,6 лет. Подобно этому, узлы орбит искусственных спутников перемещаются из-за возмущающего влияния экваториального вздутия Земли.

(Расстояние в апогее – Среднее расстояние) / Среднее расстояние

либо по формуле

(Среднее расстояние – Расстояние в перигее) / Среднее расстояние

Для планет апогей и перигей в этих формулах заменяют на афелий и перигелий. Эксцентриситет круговой орбиты равен нулю; у всех эллиптических орбит он меньше 1,0; у параболической орбиты он в точности равен 1,0; у гиперболических орбит он больше 1,0.

Орбитальная скорость.

Среднее расстояние спутника от главного компонента определяется его скоростью на некотором фиксированном расстоянии. Например, Земля обращается по почти круговой орбите на расстоянии 1 а.е. (астрономическая единица) от Солнца со скоростью 29,8 км/с; любое другое тело, имеющее на этом же расстоянии такую же скорость, будет также двигаться по орбите со средним расстоянием от Солнца 1 а.е., независимо от формы этой орбиты и направления движения по ней. Таким образом, для тела в заданной точке размер орбиты зависит от значения скорости, а ее форма – от направления скорости (рис. 4).

Это имеет непосредственное отношение к орбитам искусственных спутников. Чтобы вывести спутник на заданную орбиту, необходимо доставить его на определенную высоту над Землей и сообщить ему определенную скорость в определенном направлении. Причем сделать это нужно с высокой точностью. Если требуется, например, чтобы орбита проходила на высоте 320 км и не отклонялась от нее более чем на 30 км, то на высоте 310–330 км его скорость не должна отличаться от расчетной (7,72 км/с) более чем на 5 м/с, а направление скорости должно быть параллельно земной поверхности с точностью 0,08°.

Элементы орбит планет

ЭЛЕМЕНТЫ ОРБИТ ПЛАНЕТ
Планета	Среднее расстояние от Солнца		Период обращения		Эксцен- триситет	Наклоне- ние
млн. км	а.е.*	сидерический	синодический
Меркурий	57,9	0,38	88,0 сут	116 сут	0,21	7°0 ў
Венера	108,2	0,72	224,7 сут	584 сут	0,01	3°24 ў
Земля	149,6	1,00	365,3 сут	–	0,02	–
Марс	227,9	1,52	687,0 сут	780 сут	0,09	1°51 ў
Юпитер	778,3	5,20	11,8 лет	399 сут	0,05	1°18 ў
Сатурн	1427,0	9,53	29,5 лет	378 сут	0,06	2°29 ў
Уран	2869,6	19,18	84,0 лет	370 сут	0,05	0°46 ў
Нептун	4496,6	30,05	164,8 лет	367 сут	0,01	1°46 ў
Плутон	5900	39,44	248,4 лет	367 сут	0,25	17°9 ў
* 1 а.е. (астрономическая единица) – среднее расстояние Земли от Солнца.

Скорость убегания от Земли.

Здесь слева кинетическая энергия тела массы m, движущегося со скоростью V, а справа работа силы тяжести mg на расстоянии радиуса Земли (R = 6371 км). Из этого уравнения найдем скорость (причем это не приближенное, а точное ее выражение):

Поскольку ускорение свободного падения у поверхности Земли составляет g = 9,8 м/с 2 , скорость убегания будет равна 11,2 км/с.

Орбита Солнца.

Орбита небесного тела − это траектория, по которой движется в космическом пространстве космические тела: Солнце, звезды, планеты, кометы, космические корабли, спутники, межпланетные станции и др.

Применительно к искусственным космическим аппаратам понятие “орбита” используется для тех участков траекторий, на которых они перемещаются с отключенной двигательной установкой.

Форма орбиты небесных тел. Космическая скорость

Форма орбит и скорость, с которой по ним передвигаются небесные тела, зависят, в первую очередь, от силы всемирного тяготения. При анализе передвижения небесных тел Солнечной системы во многих случаях пренебрегают их формой и строением, то есть они выступают в качестве материальных точек. Это допустимо из-за того, что расстояние между телами, как правило, во множество раз превышает своих размеров. Если принять небесное тело за материальную точку, то при анализе его перемещения применяется закон всемирного тяготения. Также зачастую рассматривают лишь 2 притягивающихся тела, опуская влияние других.

Предыдущие упрощения позволили прийти к задаче 2 -х тел. Одно из решений данной задачи предложил И. Кеплер. А полное решение сформулировал И. Ньютон, доказавший, что одно из притягивающихся небесных тел обращается вокруг другого по орбите в форме эллипса (или окружности, частного случая эллипса), параболы либо гиперболы. В фокусе данной кривой лежит 2 -я точка.

На форму орбиты влияют следующие параметры:

масса рассматриваемого тела;
расстояние между ними;
скорость, с которой одно тело движется по отношению к другому.

Если тело массой m 1 ( к г ) расположено на расстоянии r ( м ) от тела массой m 0 ( к г ) и передвигается в данный момент времени со скоростью υ ( м / с ) , тогда орбита задается постоянной:

Постоянная тяготения f = 6 , 673 · 10 - 11 м 3 к г - 1 с - 2 . Если h 0 − по гиперболической орбите.

Вторая космическая скорость − это наименьшая начальная скорость, которую необходимо сообщить телу, чтобы оно начало движение около поверхности Земли, преодолело земное притяжение и навсегда покинуло планету по параболической орбите. Она равняется 11 , 2 к м / с .

Первой космической скоростью называют наименьшую начальную скорость, которую необходимо сообщить телу, чтобы оно стало искусственным спутником планеты Земля. Она равняется 7 , 91 к м / с .

Большинство тел Солнечной системы перемещается по эллиптическим траекториям движения. Только лишь некоторые маленькие тела Солнечной системы такие, как кометы, вероятно перемещаются по параболическим или гиперболическим траекториям. Таким образом, межпланетные станции отправляются по гиперболической орбите по отношению к Земле; потом они перемещаются по эллиптическим траекториям по отношению к Солнцу в направлении к точке назначения.

Характеристики движения небесных тел

Элементы орбиты − величины, с помощью которых определяются размеры, форма, положение, ориентация орбиты в пространстве и расположение небесного тела на ней.

У некоторых характерных точек орбит небесных тел есть собственные наименования.

Ближайшая к Солнцу точка орбиты небесного тела, передвигающегося вокруг Солнца, называется Перигелий (рисунок 1 ).

А самая удаленная − Афелий.

Ближайшая точка орбиты к планете Земля − Перигей, а самая дальняя − Апогей.

В более обобщенных задачах, в которых под притягивающим центром подразумевают различные небесные тела, употребляется название ближайшей к центру Земли точки орбиты − перицентр и самой отдаленной от центра точки орбиты − апоцентр.

Рисунок 1 . Точки орбиты небесных тел по отношению к Солнцу и Земле

Случай с 2 -мя небесными телами является самым простым и практически не встречается (хотя есть множество случаев, когда притяжением 3 -го, 4 -го и т.д. тел пренебрегают). На самом деле картина гораздо сложнее: каждое небесное тело находится под влиянием многих сил. При передвижении планеты притягиваются не только к Солнцу, но и друг к другу. В звездных скоплениях звезды притягиваются между собой.

Движение искусственных спутников находится под влиянием таких сил, как несферичность фигуры Земли и сопротивление земной атмосферы, а также притяжение Солнца и Луны. Данные дополнительные силы называются возмущающими. А эффекты, которые они создают при движении небесных тел, именуются возмущениями. Вследствие действия возмущений орбиты небесных тел постоянно медленно меняются.

Небесная механика − раздел в астрономии, который занимается изучением движения небесных тел с учетом возмущений.

С помощью методов небесной механики можно с высокой точностью и на много лет наперед определить расположение небесных тел в Солнечной системе. Более сложные вычислительные методы применяются при изучении траектории движения искусственных небесных тел. Точное решение подобных задач в виде математических формул получить очень трудно. Поэтому для решения сложных уравнений используют быстродействующие электронно-вычислительные машины. Для этого необходимо знание понятия сферы действия планеты.

Сфера действия планеты − это область околопланетного (окололунного) пространства, в которой при расчете возмущений в движении тела (спутника, кометы или межпланетного космического корабля) в качестве центрального тела принимается не Солнце, а эта планета (Луна).

Вычисления упрощаются из-за того, что внутри сферы действия возмущения от влияния солнечного притяжения по сравнению с планетным притяжением меньше, чем возмущение от планеты по сравнению с солнечным притяжением. Однако, не нужно забывать, что внутри сферы действия планеты и за ее пределами на тело оказывают влияние силы солнечного притяжения, а также планет и других небесных тел в той или иной степени.

Радиус сферы действия вычисляется исходя из расстояния между Солнцем и планетой. Орбиты небесных тел внутри сферы рассчитываются на основании задачи 2 -х тел. Если тело покидает планету, тогда его движение внутри сферы действия осуществляется по гиперболической орбите. Радиус сферы действия планеты Земля равняется примерно 1 м л н . к м . ; сфера действия Луны по отношению к Земле имеет радиус примерно 63 т ы с я ч и к м .

Способ определения орбиты небесного тела с помощью сферы действия является одним из методов приближенного определения орбит. Если известны приближенные величины элементов орбиты, тогда можно при помощи других методов получить более высокоточные значения элементов орбиты. Поэтапное улучшение определяемой орбиты − типичный прием, который позволяет вычислить параметры орбиты с большой точностью. Круг современных задач по определению орбит существенно увеличился, что объясняется стремительным развитием ракетной и космической техники.

Необходимо определить, во сколько раз масса Солнца превышает массу Земли, если известен период обращения Луны вокруг Земли 27 , 2 с у т . , а среднее расстояние ее от Земли 384 000 к м .

Дано: T = 27 , 2 с у т . , a = 3 , 84 · 10 5 к м .

Найти: m с m з - ?

Решение

Приведенные выше упрощения сводят нас к задаче 2 -х тел. Одно из решений данной задачи предложил И. Кеплер, а полное решение сформулировал И. Ньютон. Воспользуемся данными решениями.

T з = 365 с у т − период обращения Земли вокруг Солнца.

a з = 1 , 5 · 10 8 к м − среднее расстояние от Земли до Солнца.

При решении будем руководствоваться формулой закона И. Кеплера с учетом 2 -го закона И. Ньютона:

m с + m з m з + m · T 3 2 T 2 = a 3 3 a 3 .

Зная, что масса Земли по сравнению с массой Солнца и масса Луны по сравнению с массой Земли очень малы, запишем формулу в виде:

Читайте также: