Почему земля не падает на солнце реферат
Обновлено: 02.07.2024
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
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.
Продолжаем менять наше восприятие реальности при помощи такого легального инструмента, как общая теория относительности. Ну и книги Хокинга "Мир в ореховой скорлупе".
В прошлых статьях мы говорили о зарождении теории относительности; о том, что предлагает физика для продления жизни; что будет, если путешествовать на волне света; и как общая теория относительности породила ядерное оружие.
Сегодня разберём:
- откуда берутся чёрные дыры;
- как меняется пространство-время под объектам;
- что было в начале жизни Вселенной и что происходит сейчас.
Проблемка: теория относительности не сходится с законом тяготения Ньютона!
Закон тяготения Ньютона говорит о том, что если перераспределить материю в одной части Вселенной, то гравитационное поле мгновенно изменится во всей Вселенной. Слово "мгновенно" неприменимо для теории относительности, потому что оно означает во-первых, распространение изменений со сверхсветовой скоростью, что невозможно; во-вторых, для слова "мгновенно" необходимо, чтобы время было абсолютно, едино для всех и вся во Вселенной, что также невозможно: время индивидуально, т. е. для каждого течёт по-своему, об этом мы говорили здесь .
Гравитация и ускорение эквивалентны
Примерно в 1911 году Эйнштейн понял, что есть тесная взаимосвязь между гравитацией и ускорением. Например, если тебя, дорогой читатель, поместить в небольшое замкнутое помещение без окон (что-то вроде кабины лифта), то ты не сможешь определить, стоит это помещение неподвижно на Земле или летит с ускорением в открытом космосе.
Эйнштейн подумал годик и понял, что гравитация и ускорение должны быть эквивалентны если пространство-время искривлено.
У Альберта был друг Марсель Гроссман. Он помог Эйнштейну изучить теорию искривлённых пространств, и в 1913 году они написали статью, где предположили, что гравитация - это искривление пространства-времени. Новая теория об искривлении пространства-времени стала называться Общей теорией относительности , а старая теория, не включающая пространство-время, стала называться Специальной теорией относительности.
Подтверждение Общей теории относительности
В 1919 году Артур Эдингтон поехал в Западную Африку для того, чтобы подтвердить Общую теорию относительности. 29 мая 1919 года застала солнечное затмение. Это позволило наблюдать смещение видимого положения звезды, свет от которой проходил вблизи Солнца. Искривление пространства-времени Солнцем вызвало отклонение света, исходящего от звезды, находящейся за Солнцем.
Таким образом, человечество узнало, что пространство-время не пассивный фон, на котором происходят события Вселенной, а непосредственный участник этих событий.
Почему Земля не улетает от Солнца?
Действительно, что держит её? Космос такой большой, а она застыла у одной звезды.
Представьте, что пространство-время - это ткань. Если натянуть ткань и положить на неё, допустим, монету, ткань под монетой прогнётся, образовав воронку. Точно так же Солнце и другие объекты, даже Земля, прогибают под собой "ткань" пространства-времени. Всё, что находится рядом с объектом, попадает в воронку. Так Земля находится рядом с Солнцем, потому что она находится в воронке, которую образовало Солнце в пространстве-времни.
И что же, Земля когда-нибудь упадёт на Солнце.
Во времена Эйнштейна, и даже во времена до Эйнштейна, господствовало мнение о том, что Вселенная статична и вечна. Иначе говоря, у неё нет конца и нет начала, она не меняется в размерах. Эйнштейн тоже в это верил. Так как объяснить то, что Земля не падает на Солнце?
Для этого Эйнштейн ввёл космологическую постоянную - силу, противоположную гравитации. И, если гравитация притягивает объекты друг к другу, то космологическая постоянная должна была наоборот их с такой же силой отталкивать. Таким образом, Вселенная оставалась статичной, но при этом ничто ни на что не падало.
Однако в 1920 году учёные взглянули в телескоп и обнаружили, что чем дальше находится галактика, тем быстрее она от нас удаляется. И тут стало понятно, что, о ужас и кошмар, Вселенная не статична, а расширяется с ускорением!
Да, объекты искривляют пространство-время, создавая тем самым притягивая к себе, но постоянно ускоряющееся расширение Вселенной не даёт объектам упасть друг на друга.
Таким образом, расширение Вселенной сделало ненужной космическую постоянную, и позднее Эйнштейн назвал её своей величайшей ошибкой. Хотя последние наблюдения показали, что она всё же скорее существует, чем не существует. Только её значение лишь немного отлично от нуля.
Вначале был Большой взрыв.
Итак, если до Эйнштейна считалось, что Вселенная статична и существовала всегда, то общая теория относительности полностью это опровергла. То, что галактики с ускорением удаляются друг от друга свидетельствовало о том, что в прошлом эти самые галактики должны были располагаться рядом друг с другом. Оказалось, что плотность Вселенной 15 млрд лет назад была гигантской и составляла 1 с 72 нулями тонн материи на кубический сантиметр. Что ещё хуже, из общей теории относительности следует, что Вселенная началась с Большого взрыва, а, значит, время имело начало! Парадоксально :)
Чёрные дыры - звёзды, которые больше не могут противостоять своей гравитации
Общая теория относительности также предсказала, что, когда массивная звезда больше не может генерировать тепло, она больше не может противостоять своей силе притяжения, которая в итоге сжимает звезду. Получается, когда массивная звезда умирает, для неё прекращается течение времени.
Сегодня мы знаем, что звёзды, масса которых хотя бы вдвое превышает массу Солнца, умирая сжимаются, пока не становятся чёрными дырами - настолько искривлённым пространством-временем, что даже свет уже не может выйти наружу. Внутри чёрной дыры время заканчивается как для самой звезды, так и для всего, что в неё попадёт.
Земля
В нашей жизни существует много вопросов, ответы на которые хотелось бы знать. Например, почему Земля не падает на Солнце?
Из школьной физики все знают, что два любых материальных тела испытывают взаимное притяжение. Это свойство было открыто Ньютоном в XVII веке и известно сегодня как закон всемирного тяготения. Сила взаимодействия пропорциональна массе каждого тела и с увеличением расстояния между ними уменьшается. Однако если рассматривать небольшие предметы, такие как человек и самолёт или небоскрёб, то между ними она пренебрежимо мала и по этой причине незаметна.
Для обнаружения действия закона всемирного тяготения нужно, чтобы хотя бы одно из двух тел имело очень большую массу. Такой является наша планета. И всё, что расположено на ней, ощущает её притяжение. Эта сила, которая называется силой тяжести и проявляется в наличии у любого тела веса, не позволяет предметам разлетаться с поверхности планеты в произвольных направлениях.
Точно так же наша планета вместе с другими телами Солнечной системы не в состоянии покинуть её и уйти в просторы космоса, находясь под действием силы притяжения со стороны Солнца. Но почему Земля не падает на Солнце?
Причина в том, что наша планета относительно своей звезды непрерывно движется, и это состояние и не позволяет ей упасть. Она как бы непрерывно падает на Солнце, но промахивается. В результате такое её падение превращается в движение по замкнутому маршруту. Этот путь называется орбитой и лежит в одной плоскости. Скорость движения по орбите составляет около 30 км/с. Планеты Венера и Меркурий, орбита которых расположена ближе к светилу, вращаются быстрее, а более далёкие – медленнее.
Солнце притягивает Землю, а центробежная сила Земли отталкивает, в результате всё уравновешивается и так на протяжении 5 млрд лет.
По такому же принципу вокруг Земли движется Луна и любой искусственный спутник или космическая станция МКС. Для того чтобы стать спутником планеты, тело, находящееся на её поверхности, должно разогнаться до скорости, называемой первой космической. Для Земли она составляет 7,9 км/с.
Луна также притягивает все предметы, находящиеся вблизи. Но вес любой вещи на её поверхности составляет шестую часть земного веса – ведь её масса в шесть раз меньше земной. Но влияние Луны чувствуется и у нас. Например, в Мировом океане существуют приливы и отливы – так он реагирует на притяжение со стороны нашего спутника.
Теперь, наверное, каждому, кто прочёл статью, понятно, почему Земля не падает на Солнце. Только потому, что она движется.
Земля имеет форму шара. Но если это так, то почему с ее поверхности не падают предметы, на ней находящиеся. Все происходит как раз наоборот. Подброшенный вверх камень возвращается назад, падают вниз снежинки и капли дождя, летит вниз опрокинутая со стола посуда. Всему виной земная гравитация, которая притягивает к земной поверхности все материальные тела.
Получается, что между всеми телами, в том числе и космическими, возникают силы притяжения. Если следовать логике, то меньшее тело, коим, например, является та же Луна, должно обязательно упасть на Землю. Аналогичную версию можно выдвинуть и по поводу нашей Солнечной системы. По идее, все входящие в нее планеты, должны были бы давно упасть на Солнце. Однако этого не происходит. Возникает вполне логичный вопрос, а почему?
Во- первых, все планеты Солнечной системы держаться около солнца, благодаря его огромной силы тяготения, и не падают на него только потому, что находятся в постоянном движении, которое происходит по эллиптической орбите. То же самое можно сказать и о Луне, которая также движется вокруг Земли, а поэтому на нее и не падает. Если бы не было сил тяготения, то не было бы и Солнечной системы. Земля свободно странствовала бы по космосу, оставаясь пустынной и безжизненной.
Аналогичная участь постигла бы и ее спутник, Луну. Она бы не кружилась вокруг Земли по эллиптической орбите, а давно бы выбрала для себя самостоятельный маршрут. Но, попав в зону действия земной гравитации, она вынуждена менять прямолинейную траекторию движения, на эллиптическую. Если бы не постоянное движение Луны, она давно бы упала на Землю. Получается, что до тех пор, пока планеты движутся вокруг Солнца, они на него упасть не могут. А все потому, что на них постоянно действуют две силы, сила тяготения и сила инерции движения. В результате все планеты движутся не по прямой, а по эллиптической орбите.
Собственно говоря, существующий порядок во Вселенной сохраняется только благодаря закону всемирного тяготения, который был открыт Исааком Ньютоном. Ему подчиняются все космические объекты, включая искусственные спутники Земли, запущенные человеком. Те же приливы и отливы, свидетелями которых мы являемся, также обусловлены действием взаимных сил тяготения Луны, Земли и Солнца. При этом действия Луны более выражены, так она находится намного ближе к Земле, нежели Солнце.
И все же, почему Земля не падает на Солнце, ведь ее масса, по сравнению с небесным светилом, в сотни тысяч раз меньше, и по логике, она должна к нему моментально прилипнуть? Это обязательно произошло бы, но только в том случае, если бы наша планета остановилась. Но так как она движется вокруг Солнца со скоростью 30 километров в одну секунду, то этого и не происходит. Улететь от него она также не может, ввиду огромных сил солнечного притяжения. В результате, прямолинейное движение Земли постепенно искривляется, и переходит в эллиптическое. Аналогично движутся и другие планеты Солнечной системы.
Что явилось причиной вращения и поступательного движения самого пылевого облака?
Ученые сходятся во мнении, что так ведет себя вся Галактика. При этом все объекты, расположенные ближе к ее центру, вращаются с большей скоростью, а те, что дальше- с меньшей. Возникшая разность сил разворачивает Галактику, чем и обусловлено сложное движение входящих в нее газовых комплексов. Кроме того, на траекторию их движения оказывают влияние галактические магнитные поля, взрывы звезд и звездный ветер.
Читайте также: