Что такое геоцентрическая система отсчета кратко
Обновлено: 05.07.2024
Если тело относительно определённой инерциальной системы отсчёта движется с постоянной скоростью то1, по отношению к системе отсчёта, которая сама движется со скоростью , это тело согласно закону сложения скоростей будет двигаться с некоторой новой, но также постоянной скоростью 2 = 1 + . Ускорение тела в обеих системах отсчёта равно нулю.
Напротив, любая система отсчёта, движущаяся с ускорением относительно инерциальной системы отсчёта, уже будет неинерциальной. Действительно, если 1 = const, а скорость изменяется, то скорость 2 также будет меняться с течением времени. Следовательно, характер движения тела будет изменяться при переходе от одной системы отсчёта к другой: в первой системе отсчёта движение тела равномерное, а во второй — ускоренное.
Так как систему отсчёта, связанную с Землёй (рис. 2.27), можно приближённо рассматривать как инерциальную, то и системы отсчёта, связанные с поездом, движущимся с постоянной скоростью, или с кораблём, плывущим по прямой с неизменной скоростью, также будут инерциальными. Но как только поезд начнёт увеличивать свою скорость, связанная с ним система отсчёта перестанет быть инерциальной. Закон инерции и второй закон Ньютона перестанут выполняться, если рассматривать движение по отношению к таким системам.
Геоцентрическая система отсчёта инерциальна лишь приближённо.
Наиболее близка к инерциальной система отсчёта, связанная с Солнцем и неподвижными звёздами (рис. 2.28). Земля же движется по отношению к этой системе отсчёта с ускорением. Во-первых, она вращается вокруг своей оси и, во-вторых, движется по замкнутой орбите вокруг Солнца.
Ускорение, обусловленное обращением Земли вокруг Солнца, очень мало, так как велик период обращения (год). Значительно больше (примерно в 6 раз) ускорение, возникающее из-за вращения Земли вокруг оси с периодом Т = 24 ч. Но и оно невелико. На поверхности Земли у экватора, где это ускорение наибольшее, оно равно:
т. е. составляет всего 0,35% от ускорения свободного падения g = = 9,8 м/с2. Именно поэтому систему отсчёта, связанную с Землёй, можно лишь приближённо рассматривать как инерциальную.
Доказательство вращения Земли.
Однако существуют явления, которые нельзя объяснить, если считать геоцентрическую систему отсчёта инерциальной. К ним относится вращение относительно Земли плоскости колебаний маятника в знаменитом опыте Фуко, доказывающем вращение Земли.
Впервые опыт с маятником был выполнен французским физиком-экспериментатором Жаном Фуко (1819—1868) в узком кругу. Его результаты заинтересовали Л. Бонапарта, и он предложил Фуко провести демонстрацию этого опыта в грандиозном масштабе под куполом Пантеона в Париже в присутствии множества зрителей. Эту публичную демонстрацию, устроенную в 1851 г., и принято называть опытом Фуко.
Рассмотрим колебания маятника в гелиоцентрической инерциальной системе отсчёта. Для большей наглядности и простоты будем считать, что опыт проводится на полюсе.
Пусть в начальный момент маятник отклоняют от положения равновесия. Действующие на маятник сила притяжения к Земле T и сила упругости подвеса маятника лежат в той же вертикальной плоскости (рис. 2.29). Согласно второму закону Ньютона ускорение маятника совпадает по направлению с равнодействующей силой и поэтому лежит в той же вертикальной плоскости. А это значит, что с течением времени плоскость колебаний маятника в инерциальной системе отсчёта должна оставаться неизменной. Так и происходит в гелиоцентрической системе. Однако система отсчёта, связанная с Землёй, не является инерциальной, и относительно неё плоскость колебаний маятника поворачивается вследствие вращения Земли. Чтобы это обнаружить, необходимо подвес сделать таким, чтобы трение в нём было мало, а сам маятник — достаточно массивным. Иначе трение в подвесе заставит плоскость колебаний следовать за вращением Земли.
Смещение плоскости колебаний маятника относительно Земли становится заметным уже через несколько минут. На средних широтах колебания маятника будут выглядеть несколько сложнее, но суть явления не изменится.
Динамика - Физика, учебник для 10 класса - Класс!ная физика
Человечество живет на Земле, и поэтому абсолютное большинство физических опытов осуществляется в системе отсчета, связанной с Землей. Поговорим кратко о геоцентрической системе отсчета.
Сущность системы отсчета
К 10 классу известно, что описание любых явлений в физике заключается в выделении в них существенных особенностей, сравнении их с некоторыми эталонами и установлении законов, по которым эти особенности изменяются. В частности, для кинематики такими существенными особенностями являются положение в пространстве и законы его изменения.
Для описания положения в пространстве, во-первых, необходима система координат и единица измерения.
Во-вторых, всегда требуется указывать, относительно чего движение происходит: необходимо выделить тело отсчета и связать с ним систему координат.
Наконец, чтобы описать изменение положения в пространстве, требуется система измерения времени.
Тело отсчета, система координатных осей и система измерения времени вместе называются системой отсчета.
Рис. 1. Составляющие системы отсчета.
Геоцентрическая система отсчета
Человеческая наука развивались на планете Земля. Все физические опыты и измерения производились в непосредственной близости от Земли. Неудивительно, что в качестве наиболее общей системы отсчета чаще всего применяли систему, связанную с Землей. Такая система отсчета называется геоцентрической.
Особенности
Итак, тело отсчета в геоцентрической системе отсчета — это Земля. Направление координатных осей удобно взять по двум касательным к земному шару и по его радиусу. Порядок измерения времени исторически определился по суточному и годовому вращению Земли вокруг Солнца.
Удобство геоцентрической системы отсчета предопределило построение Птолемеем системы мира, которая более тысячи лет считалась истиной. И даже то, что птолемеева система была заменена системой мира Коперника, не привело к меньшему использованию геоцентрической системы.
Рис. 2. Геоцентрическая система отсчета.
Сомнения в точности возникли лишь в XVII в., когда И. Ньютон установил законы механики и ввел понятие инерциальной системы отсчета.
Важная особенность инерциальной системы отсчета — это движение без ускорения. Земля же, во-первых, движется вокруг собственной оси. Во-вторых, она совершает годичное вращение вокруг Солнца. Оба этих движения происходят с центростремительными ускорениями. А значит, геоцентрическая система отсчета, строго говоря, не является инерциальной, и в ней законы Ньютона должны быть не верны.
Кроме того, в соответствии со специальной и общей теориями относительности, на Земле должны происходить релятивистские изменения хода времени и размеров.
Однако, величина центростремительного ускорения вращения Земли составляет менее процента от ускорения свободного падения. А релятивистские эффекты на Земле гораздо меньше. Поэтому геоцентрическая система отсчета в абсолютном большинстве случаев может считаться инерциальной и использоваться для определения значений механических величин в экспериментах и подготовки школьных опытов и докладов.
Рис. 3. Инерциальные системы отсчета.
Что мы узнали?
Тело отсчета, координатные оси и порядок измерения времени вместе называются системой отсчета. Система отсчета, где тело отсчета — это Земля, называется геоцентрической. Геоцентрическая система отсчета, строго говоря, не является инерциальной, однако ее отклонения от инерциальности очень невелики, поэтому эта система удобна для большинства опытов и измерений в механике.
Геоцентрическая модель устройства мира подразумевает собой нашу родную планету, стоящую в центре мироздания. При этом все остальные небесные тела вращаются вокруг нее, пока сама она остается неподвижной.
Мы уже упоминали геоцентрическую модель в статье о том, как менялись представления ученых о солнечной системе. Сейчас же давайте поговорим о ней подробнее, выясним, откуда она появилась, как аргументировалась и к чему в итоге привела.
История появления геоцентрической системы
Задолго до того, как эту модель попытались обосновать научно некоторые астрономы, такие как Клавдий Птолемей, ее уже использовали в религии. Древнегреческие мыслители активно распространяли свои идеи и своих богов. Боги в конечном счете так и остались в Греции, а вот сама модель получила большую популярность чуть ли не по всему миру, дожив до Средних веков.
Как вы уже знаете, геоцентрическая система мира ставит Землю во главу угла, делая ее центром всего. Сама планета при этом является асимметричной и имеет центральную ось. Ни о какой форме шара речи не идет. Земля – это плоский диск, который установлен на опорах, делающих его неподвижным. В разных религиях эти опоры представлялись по-разному, например, как три огромных слона.
Иллюстрация гелиоцентрической системы мира
Ученый из Древней Греции Фалес Милетский считал, что Земля находится в мировом океане и просто держится на его поверхности. Относительно всей Вселенной ученый рассуждал о центрально-симметрическом строении. Благодаря этим доводам, он предполагал, что Земля всегда находится в неподвижном состоянии. Но версии об опорах в виде огромных слонов он отвергал.
Другой древнегреческий ученый Анаксимен Милетский тоже изучал геоцентрическую систему, но выдвигал свои предположения на этот счет. Он считал, что Земля не может просто так держаться в космическом пространстве (опоры из слонов он тоже не принимал). По его мнению, планету удерживает сжатый воздух. Эту идею даже поддержали в научном сообществе того времени. Позже на ее основе свои предположения выдвигали Платон, Аристотель, Демокрит и многие другие.
Пифагор древнегреческий математик и философ
Обоснование геоцентрической модели
Хоть разные ученые и предлагали разные объяснения геоцентрической системы, она все же имела общие тезисы во всех версиях. Все астрономы сходились во мнении, что Земля находится в центре мироздания и остается неподвижной. В остальном же мнения постоянно разнились. Например, Анаксимандр говорил, что в космосе есть сферическая симметрия. А Аристотель утверждал, что Земля очень тяжелая, поэтому и должна находится в самом центре Вселенной.
Философ Филолай однажды попытался сказать, что наша планета все-таки может двигаться по некоторой орбите. Его аргументы снова были поставлены под сомнение Аристотелем, который говорил, что движение Земли будет приводить к смещению звезд, которого тогда не было видно.
Существовало еще достаточно много версий, например, что геоцентризм поддерживается балансом между днем и ночью. А Птолемей говорил, что так как тела в космосе падают строго вертикально, значит Земля находится в центре и при этом остается неподвижной. Эти доводы были достаточно убедительными и их использовали вплоть до открытия первых законов механики.
Система Птолемея
Ученые высказывали свои мнения и касательно других небесных тел, а именно их вращения вокруг Земли. Так, например, Анаксимен предполагал, что период обращения Солнца и других светил вокруг нашей планеты зависит от их местоположения на небе. Он даже создал собственную геоцентрическую модель, в которой разместил Землю в центр, около нее выставил Луну, за ней Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн. Насчет Венеры и Меркурия у ученых единого мнения тоже не было. Платон и Аристотель считали, что они расположены за Солнцем. Птолемей же утверждал, что планеты находятся перед Солнцем, но закрыты от нас Луной.
Объяснение космических явлений в геоцентризме
Астрономы Древней Греции очень любили подискутировать на тему геоцентризма и попытаться объяснить различные космические явления в рамках этой теории. Но как бы то ни было, самые простые и очевидные вещи им понять было тяжелее всего. Первая сложность появилась при попытках аргументировать неравномерное движение планет. Так как сами планеты тогда воспринимались как настоящие божества, они, по мнению астрономов, должны были ходить исключительно плавно и равномерно.
Несмотря на многие трудности и ошибки, древние греки продолжали верить в свою модель и выдвигали новые теории. Так сложные перемещения планет объяснялись тем, что они являются результатом сложения нескольких круговых движений. Это в итоге привело к образованию теорий о эпициклах и гомоцентрических сферах, которые использовались не только в Древней Греции, но и во многих других странах.
Даже иудеи обратили внимание на геоцентрическую модель мироздания с Землей в форме шара в центре Вселенной. Хотя на тот момент они представляли нашу планету исключительно плоской. Иудейские астрономы быстро приняли версию своих греческих коллег. Одним из первых данную теорию поддержал Моисей Маймонид. Он активно выступал против эпициклов и придерживался мнения Аристотеля о мироздании.
Геоцентризм существовал вплоть до Средних веков и все это время продолжал развиваться. Астроном Леви бен Гершом, живший в 13-ом веке, считал, что гомоцентрические сферы и эпициклы в корне неверны. Он придерживался геоцентрической модели, но интерпретировал ее по-своему. По мнению ученого, небесные тела заключены в некие эксцентрические сферы, которые не дают им слишком плотно приближаться друг к другу. А между сферами в космическом пространстве находится жидкость, образованная из первичного вещества.
Средневековое изображение геоцентрической системы
Византийские теории
В Византии также были свои версии геоцентрической модели мироздания. Александрия была настоящим центром эллинистической науки, и астрономия занимала там далеко не последнее место. Некоторые из местных ученых даже считали, геоцентрическая система ошибочна. Но они же говорили, что Земля никак не может быть в форме шара.
Какими бы умными ни были византийские философы, они наотрез отказывались рассматривать какие-либо дополнения к существующей модели. В большинстве своем они твердо верили в теорию Аристотеля, а новые предположения просто отвергали. Поэтому византийский геоцентризм так и не получил своего развития.
Переход на новую систему
Отказ от геоцентрической системы и перед на гелиоцентрическую состоялся в 17-ом веке. Первым новую модель предложил Коперник, затем Галилей, изобретя свой первый телескоп, представил неопровержимые доказательства, а закрепил теорию Кеплер, доведя ее практически до того вида, в котором она пребывает по сей день.
Николай Коперник
Религия и геоцентризм
Несмотря на то, что научное сообщество приняло гелиоцентрическую модель мира, некоторые религиозные философы все еще придерживались идей геоцентризма. Они считали, что гелиоцентрическая система противоречит божественным законам и устоям.
Христианская церковь еще долго пропагандировала мнение о том, что Земля создана Богом для людей. Даже сегодня в некоторых особенно консервативных религиозных группах все еще верят в геоцентрическую модель. А споры о том, поддерживает ли Библия теорию о плоской или шарообразной Земле, ведутся до сих пор.
Земля находится в центре мира, а вокруг нее вращаются Солнце, Луна, все планеты и звезды. В этом суть геоцентрической системы мира. Эта теория появилась еще в то время, когда люди только начали задумываться об устройстве Вселенной, но наибольшее развитие геоцентризм получил при древних греках. Только в XVI веке теорию окончательно опроверг Коперник — основатель гелиоцентрической системы мира.
Геоцентрическая система мира в античности
Кстати, судя по опросам, около 30% жителей современной Земли до сих пор считают, что Солнце крутится вокруг нее. И думают так не только жители беднейших африканских стран, но и вполне себе россияне и американцы. И это несмотря на то что астрономию изучают в старших классах средней школы.
Говоря кратко, если встать на равнине и посмотреть по сторонам, видно, что Земля плоская, а Солнце и Луна вращаются вокруг нее. Это такая очевидная картина мира, что ранним античным философам даже не приходило в голову ее оспаривать.
Все тела падают вниз, если не встречают препятствия, а вот Земля остается на месте. Очевидно, что падать ей что-то мешает. У древних греков были по этому поводу следующие теории в хронологическом порядке :
- Фалес Милетский считал, что планета плавает в мировом океане.
- Анаксимен Милетский изложил доказательства, что она имеет форму диска, а от падения ее удерживает сжатый воздух.
- Его учитель Анаксимандр думал, что все предметы стягиваются к центру вселенной, где и находится Земля, которая имеет форму широкого цилиндра, у которого просто нет оснований двигаться куда-нибудь.
Пифагор первым предположил, что Земля имеет форму сферы. Обосновал эту идею Аристотель. Он заметил, что лунное затмение случается, если Солнце, Земля и Луна находятся на одной прямой: тень от Земли падает на полную Луну и скрывает ее сияние. Эта тень всегда круглая, а потому она может падать только от шара.
Земля в центре Вселенной
Аристотель заметил, что все тяжелые тела падают отвесно вниз. Он считал, что они стремятся к центру мира. Земля — самое тяжелое из тел. Поэтому она и находится в центре, это естественное мироустройство. Пифагорейцы считали, что Земля может двигаться по орбите, но Аристотель это отвергал. Он утверждал, что если бы Земля двигалась, то можно было увидеть Луну с разных сторон. Раз этого не происходит, планета неподвижна, а спутник движется. Надо заметить, что в этом он был прав. Но Аристотель не предполагал, что небесные тела могут двигаться вокруг разных астрономических объектов.
Из-за наклона земной оси место, где встает Солнце, в течение года смещается. Единственные дни, когда оно встает в одной и той же точке — это примерно неделя в середине зимы или лета. Время, которое называется солнцестоянием. Для Плиния Старшего это явление было доказательством центрального положения Земли.
Клеомед же опровергал все возможные сомнения в геоцентризме. Если бы Земля находилась к востоку от центра, то на восходе тени были короче, чем на закате, а это не так. А если бы она была сдвинута к северу или югу, тени простирались не строго по оси восток-запад, а смещались южнее или севернее. К сожалению, эта теория подразумевает, что существует некоторый центр Вселенной, вокруг которого движется Солнце, а это не так.
Тот же Клеомед опровергал и возможность сравнительного расположения Земли выше или ниже центра: если бы точка отсчета находилась там, тогда было видно больше или меньше половины небосвода соответственно. А раз всего это не происходит, то Земля находится точно в центре. Он не учитывал, что небосвод — это не купол, а звезды к нему не приколочены.
Птолемей приводил аналогичные доводы в пользу геоцентрической модели. Кроме того, он объяснял, почему Земля не вращается вокруг своей оси: при движении в автомобиле (или телеге, учитывая время жизни создателя теории) любые незакрепленные предметы скатываются назад. Это явление называется инерцией.
Философ считал, что с предметами на Земле происходило бы то же самое, если она вращалась, то облака не смогли двигаться на восток: их за долю секунды сносило назад. Этого не происходит, поэтому неподвижная планета находится в центре координат. Опровергнуть эту теорию смогли только в XIX веке, с открытием первого закона Ньютона. Если тело движется равномерно и прямолинейно, инерции не возникает.
Другие небесные тела
Преимущество геоцентрической системы в том, что она просто, понятно и, с точки зрения античных знаний, логично объясняет устройство Вселенной. Луна действительно вращается вокруг Земли, не падая на нее, а Солнце и другие звезды остаются на месте, поэтому кажутся тоже вращающимся по орбите.
Но вот когда дело доходит до планет, начинаются проблемы. Они вращаются вокруг Солнца, как и Земля, но делают это с разной скоростью, поэтому кажется, что планеты движутся петлями по странной траектории. В античной астрономии это называлось ретроградным движением.
Такое их поведение не могло не выпасть из стройной теории. Тем более, в античности планеты считались вечными богами, а им не пристало суетиться и бегать то вперед, то назад. Чтобы объяснить их движение, философ Аполлон Пергский разработал теорию эпицикликов. Чтобы ее объяснить, можно представить себе гончарный круг. В центре его стоит Земля, а недалеко от края находится небольшой циркуль. Круг вращается, а циркуль движется одновременно и вместе с ним, и сам по себе. Его стержень — это планета. Она то приближается к Земле, то отдаляется от нее.
Теория эпицикликов неверна с точки зрения астрономии, но она неплохо позволяла описывать и с высокой степенью точности предсказывать взаимодействие планет. Это представление продержалось до XVI века.
Астрономия в средние века
- Земля плоская и находится в центре океана;
- вокруг нее движется солнечный диск;
- небесный свод делит небеса на рай вверху и смертную земную часть внизу.
Эта теория полна аллегорий, и к реальной географии она имеет мало отношения. Вместо таблиц и математических расчетов она строится на представлениях об идеальном христианском мироустройстве. Так что уже через два века популярность книги пошла на спад.
К сожалению, византийские ученые не достигли уровня развития своих греческих предков. Теория геоцентризма была почти забыта и развивалась не в западном мире, а на исламском востоке.
Сочинения Аристотеля и Птолемея были переведены на арабский еще в VIII веке нашей эры. На многие годы, пока в Европе продолжались темные века, именно арабы стали хранителями античных знаний.
Исламские ученые внесли свой вклад в теорию геоцентризма. Они пытались определить, на каком расстоянии от Земли находятся небесные тела. Астроном Джафир ибн Афлах создал теорию, согласно которой ближе всего к Земле Луна, потом Солнце, а за ними идут звезды и планеты.
Математики Андалузии, которая в XIII веке принадлежала арабам, протестовали против теории эпициклов. Она противоречила идеям Аристотеля о том, что Земля находится в центре мира и является единственной точкой вращения Вселенной. Астрономы пытались доказать, что на самом деле планеты движутся по кругу, но не в той же плоскости, в которой находится Земля, а потому и кажется, что они совершают возвратные движения. К сожалению, эта теория противоречила всем наблюдениям и доказать ее не удалось.
В Европу теория геоцентризма вернулась только в эпоху Возрождения. Тогда астрономию по сочинениям древних греков начали изучать в университетах. Ученые того времени изучали возможность вращения Земли, но сочли, что это невозможно. К XV веку астрономия в Европе была столь же развита, как на востоке. И на это же время пришел ее закат.
Возникновение гелиоцентризма
В XVI веке польский астроном Николай Коперник предположил, что в планеты вращаются вокруг Солнца, а не Земли. Это открытие стало началом научной революции в мире познания. Впервые в истории ученые стали не пытаться подвести окружающий мир под собственные представления о нем, а наблюдать действительность, какой она есть. С гелиоцентризма начинается современная наука.
Противником Коперника был датчанин Тихо Браге. Он не принял гелиоцентризм в полном виде, но и полностью отказаться от него не смог, потому предложил гео-гелицентрическую систему: в центре мира находится Земля, вокруг нее вращаются Луна и Солнце, а остальные планеты движутся вокруг звезды.
Теории Браге и Коперника соперничали следующие десятилетия, пока гелиоцентризм не победил окончательно. Этому помогло и изобретение телескопа, и открытие закона всемирного тяготения Исааком Ньютоном.
Конечно, геоцентрическая система мира в астрономии неверна с точки зрения современности, но это была первая попытка научно объяснить космические явления. Античной философии приходилось бороться со сказками и аллегориями, на этом фоне геоцентризм, при всем своем несовершенстве, выглядит вершиной научной мысли. Он заложил основы для всей современной астрономии.
Читайте также: