Все в этом мире притягивается ко всему. И для этого не нужно обладать какими-то специальными свойствами (электрическим зарядом, участвовать во вращении, иметь размер не меньше какого-то.). Достаточно просто существовать, как существует человек или Земля, или атом. Тяготение или, как часто говорят физики, гравитация - самое универсальное взаимодействие. И все-таки: все притягивается ко всему. Но как именно? По каким законам? Как это ни удивительно, закон этот один, и причем, он один и тот же для всех тел во Вселенной - и для звезд, и для электронов.
1. Законы Кеплера
Ньютон утверждал, что между Землёй и всеми материальными телами существует сила тяготения, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния.
В XIV веке астроном из Дании Тихо Браге почти 20 лет наблюдал за движением планет и записывал их положения, и смог с наибольшей возможной в то время точностью определить их координаты в различные моменты времени. Его помощник, математик и астроном Иоганн Кеплер, проанализировал записи учителя и сформулировал три закона движения планет:
Первый закон Кеплера
Каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Форму эллипса степень его сходства с окружностью будет тогда характеризовать отношение: e=c/d , где c - расстояние от центра эллипса до его фокуса (половина меж фокусного расстояния); a - большая полуось. Величина e называется эксцентриситетом эллипса. При c = 0 и e = 0 эллипс превращается в окружность с радиусом a.
Второй закон Кеплера (Закон площадей)
Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём площадь сектора орбиты, описанная радиус-вектором планет, изменяется пропорционально времени.
Применительно к нашей Солнечной системе, с этим законом связаны два понятия: перигелий - ближайшая к Солнцу точка орбиты, и афелий - наиболее удалённая точка орбиты. Тогда можно утверждать, что планета движется вокруг Солнца неравномерно: имея линейную скорость в перигелие больше, чем в афелии.
Каждый год в начале января Земля, проходя через перигелий, движется быстрее; поэтому видимое перемещение Солнца по эклиптике к востоку также происходит быстрее, чем в среднем за год. В начале июля Земля, проходя афелий, движется медленнее, поэтому и перемещение Солнца по эклиптике замедляется. Закон площадей указывает, что сила, управляющая орбитальным движением планет, направлена к Солнцу.
Третий закон Кеплера (Гармонический закон)
Третий, или гармонический, закон Кеплера связывает среднее расстояние планеты от Солнца (a) с ее орбитальным периодом (t):
где индексы 1 и 2 соответствуют любым двум планетам.
Ньютон принял эстафету Кеплера. К счастью, от Англии 17-го века осталось немало архивов, писем. Проследим за рассуждениями Ньютона.
Надо сказать, что орбиты большинства планет мало отличаются от круговых. Поэтому будем считать, что планета движется не по эллипсу, а по окружности радиуса R - это не меняет сути вывода, но сильно упрощает математику. Тогда третий закон Кеплера (он остается в силе, ведь окружность - частный случай эллипса) можно сформулировать так: квадрат времени одного оборота по орбите (T2) пропорционален кубу среднего расстояния (R3) от планеты до Солнца:
T2=CR3 (экспериментальный факт).
Здесь С - некоторый коэффициент (постоянная - одна и та же для всех планет).
Т. к. время одного оборота T можно выразить через среднюю скорость движения планеты по орбите v: T=2(R/v, то третий закон Кеплера принимает следующий вид:
Или после сокращения 4(2 /v2=СR.
Теперь учтем, что согласно второму закону Кеплера движение планеты по круговой траектории происходит равномерно, т. е. с постоянной по величине скоростью. Из кинематики нам известно, что ускорение тела, движущегося по окружности с постоянной скоростью, будет чисто центростремительным и равным v2/R. А тогда сила, действующая на планету, по второму закону Ньютона будет равна
Выразим отношение v2/R из закона Кеплера v2/R=4(2 /СR2 и подставим его во второй закон Ньютона:
F= m v2/R=m4(2 /СR2 = k(m/R2), где к=4(2 /С - постоянная для всех планет величина.
Итак, для любой планеты сила, действующая на нее, прямо пропорциональна ее массе и обратно пропорциональна квадрату ее расстояния от Солнца:
Солнце - источник силы, действующей на планету, следует из первого закона Кеплера.
Но если Солнце притягивает планету с силой F, то и планета (по третьему закону Ньютона) должна притягивать Солнце с той же по величине силой F. Причем, эта сила по своей природе ничем не отличается от силы со стороны Солнца: она тоже гравитационная и, как мы показали, тоже должна быть пропорциональна массе (на сей раз - Солнца) и обратно пропорциональна квадрату расстояния: F=k1(M/R2), здесь коэффициент к1 - свой для каждой планеты (возможно, он даже зависит от ее массы!).
Приравнивая обе силы тяготения, мы получаем: km=k1M. Это возможно при условии, что k=(M, а k1=(m, т. е. при F=((mM/R2), где (- постоянная - одна и та же для всех планет.
Поэтому всемирная гравитационная постоянная (не может быть любой - при выбранных нами единицах величин - только такой, какой ее выбрала природа. Измерения дают примерное значение (= 6,7 х10-11 Н. м2/кг2.
2. Закон всемирного тяготения
Ньютон получил замечательный закон, описывающий гравитационное взаимодействие любой планеты с Солнцем:
Следствиями этого закона оказались все три закона Кеплера. Это было колоссальным достижением - найти (один!) закон, управляющий движением всех планет Солнечной системы. Если бы Ньютон ограничился только этим, мы все равно вспоминали бы его при изучении физики в школе и называли бы выдающимся ученым.
Ньютон был гением: он предположил, что тот же самый закон управляет гравитационным взаимодействием любых тел, он описывает поведение Луны, вращающейся вокруг Земли, и яблока, падающего на Землю. Это была удивительная мысль. Ведь общее мнение было - небесные тела движутся по своим (небесным) законам, а земные тела - по своим, “мирским” правилам. Ньютон предположил единство законов природы для всей Вселенной. В 1685 г. И. Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения:
Любые два тела (а точнее, две материальные точки) притягиваются по направлению друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Закон всемирного тяготения - один из лучших примеров, показывающих, на что способен человек.
Сила тяготения, в отличие от сил трения и упругих, не является контактной силой. Этой силе требуется соприкосновения двух тел, чтобы они гравитационно взаимодействовали. Каждое из взаимодействующих тел создает во всем пространстве вокруг себя гравитационное поле - такую форму материи, посредством которой тела гравитационно взаимодействуют друг с другом. Поле, созданное каким-то телом, проявляется в том, что действует на любое другое тело с силой, определяемой всемирным законом тяготения.
3. Перемещение Земли и Луны в пространстве.
Луна, естественный спутник Земли, в процессе своего движения в пространстве испытывает влияние главным образом двух тел - Земли и Солнца. Рассчитаем силу, с которой Солнце притягивает Луну, применив закон всемирного тяготения, получим, что солнечное притяжение в два раза сильнее земного.
Почему же Луна не падает на Солнце? Дело в том, что и Луна, и Земля обращаются вокруг общего центра масс. Общий центр масс Земли и Луны обращается вокруг Солнца. Где находится центр масс системы Земля - Луна? Расстояние от Земли до Луны составляет 384 000 км. Отношение массы Луны к массе Земли равно 1:81. Расстояния от центра масс до центров Луны и Земли будут обратно пропорциональны этим числам. Разделив 384 000 км на 81, получим примерно 4700 км. Значит, центр масс находится на расстоянии 4700 км от центра Земли.
* А чему равен радиус Земли?
* Около 6400 км.
* Следовательно, центр масс системы Земля - Луна лежит внутри земного шара. Поэтому, если не гнаться за точностью, можно говорить об обращении Луны вокруг Земли.
Перемещения Земли и Луны в пространстве и изменение их взаимного положения по "отношению к Солнцу показаны на схеме.
При двукратном преобладании солнечного притяжения над земным кривая движения Луны должна быть вогнутой по отношению к Солнцу во всех своих точках. Влияние близкой Земли, существенно превышающей по массе Луну, приводит к тому, что величина кривизны лунной гелиоцентрической орбиты периодически меняется.
Луна обращается вокруг Земли, удерживаемая силой притяжения. С какой силой Земля притягивает Луну?
Это можно определить по формуле, выражающей закон тяготения: F=G*(Mm/r2) где G - гравитационная постоянная, Mm - массы Земли и Луны, r - расстояние между ними. Сделав вычисление, мы пришли к тому, что Земля притягивает Луну с силой около 2-1020 Н.
Все действие силы притяжения Луны Землей выражается лишь в удержании Луны на орбите, в сообщении ей центростремительного ускорения. Зная расстояние от Земли до Луны и число оборотов Луны вокруг Земли, Ньютон определил центростремительное ускорение Луны, получилось уже известное нам число: 0,0027 м/с2. Хорошее соответствие расчетного значения центростремительного ускорения Луны с его действительным значением подтверждает предположение о единой природе силы, удерживающей Луну на орбите, и силы тяжести. Луну на орбите мог бы удержать стальной канат, имеющий диаметр около 600 км. Но, не смотря на такую огромную силу притяжения, Луна не падает на Землю.
Луна удалена от Земли на расстояние, равное примерно 60 земным радиусам. Следовательно, рассуждал Ньютон. Луна, падая с таким ускорением, должна бы приблизиться к Земле за первую секунду на 0,0013 м. Но Луна, кроме того, движется и по инерции в направлении мгновенной скорости, т. е. по прямой, касательной в данной точке к ее орбите вокруг Земли
Двигаясь по инерции, Луна должна удалиться от Земли, как показывает расчёт, за одну секунду на 1,3 мм. Разумеется, такого движения, при котором за первую секунду Луна двигалась бы по радиусу к центру Земли, а за вторую секунду – по касательной, в действительности не существует. Оба движения непрерывно складываются. В результате Луна движется по кривой линии, близкой к окружности.
Обращаясь вокруг Земли, Луна движется по орбите со скоростью 1 км/сек, т. е достаточно медленно, чтобы не покинуть свою орбиту и "улететь" в космос, но и достаточно быстро, чтобы не упасть на Землю. Можно сказать, что Луна упадет на Землю только в том случае, если не будет двигаться по орбите, т. е. если внешние силы (некая космическая рука) остановят Луну в ее движении по орбите, то она естественным образом упадет на Землю. Однако при этом выделится столько энергии, что говорить о падении Луны на Землю, как твердого тела не приходится. Из всего изложенного можно сделать вывод.
Луна падает, но не может упасть. И вот почему. Движение Луны вокруг Земли является результатом компромисса между двумя "желаниями" Луны: двигаться по инерции - по прямой (из-за наличия скорости и массы) и падать "вниз" на Землю (тоже из-за наличия массы). Можно сказать так: всемирный закон тяготения призывает Луну упасть на Землю, но закон инерции Галилея "уговаривает" ее вообще не обращать на Землю внимания. В результате получается нечто среднее - орбитальное движение: постоянное, без окончания, падение.
Согласно Закону всемирного тяготения Ньютона, все материальные объекты притягиваются друг к другу, с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Ну, особо не вдумывайтесь. Я знаю, как вы это делать не любите. Далее я все подробненько объясню! Итак, учтите, что когда вы подпрыгиваете, Земля притягивает вас обратно, тоже происходит и с Землей, вы тоже к себе ее притягиваете. Но этого не заметно, потому как ваша масса ничтожно мала по сравнению с массой земной!
Теперь давайте все уберем: воздух, Солнце, cпутники, прочие системы и объекты вселенной. Оставим только экспериментальные Луну и Землю!
Вы думаете, что в такой идеальной системе, Луна таки столкнется с Землей?
Ну в принципе, так и должно произойти, опираясь на вышеприведенный закон, Земля должна притянуть к себе Луну, Луна притянуть к себе Землю, и они объединятся в одно нечто! Но этого не происходит! Что-то мешает! Теперь добавим в нашу систему меня! Ну и еще, для наглядности дадим мне в руку камень! (так надо)
Заметьте, что я уже нахожусь на Земле, меня притянуло и никак не отцепиться от нее! А камень в моей руке все еще тянется к Земле, но я ему не даю притянуться... Злорадствую над Землей.
Итак, эксперимент:
Я запускаю камень со всей силы вдоль поверхности Земли!
Он пролетает какое-то расстояние и улетел бы, с радостью, в другую солнечную систему, если бы коварная Земля не начала его притягивать. Он не смог сопротивляться этому закону всемирного тяготения. От которого еще Ньютон пострадал. Наверняка яблоко ему неплохую шишку-то набило! Чтоб его...
Теперь этот камень я запускаю с еще большей силой... Ну, короче, со всей силой как запулил!
Он облетел чуть ли не большую половину Земли. Но все равно Земля оказалась сильнее и таки притянула его!
И что же вы думаете...
На этом я не успокоюсь, теперь камень я запустил со скоростью почти 8000 м/c.
Летит себе камень и думает: "Наконец я удаляюсь от этой здоровенной планеты... Или нет? ... АААААААА Она опять меня к себе притягивает...!"
Не успел я оглянуться, как мой камень летит ко мне в затылок... А если пригнусь? ... Очевидно, что полетит дальше на следующий виток!
Осталось только придать камню вторую космическую и увидим...
...Как камень покинет орбиту а возможно, и солнечную систему, если никто, конечно, другой его не притянет!
Вот так-то!
Солнце оказывается здесь и ни при чем! А Луна - это тот же камень, и если её притормозить, она непременно упадет на Землю!
При двукратном преобладании солнечного притяжения над земным кривая движения Луны должна быть вогнутой по отношению к Солнцу во всех своих точках. Влияние близкой Земли, существенно превышающей по массе Луну, приводит к тому, что величина кривизны лунной гелиоцентрической орбиты периодически меняется.
Схема перемещения Земли и Луны в пространстве и изменение их взаимного положения по отношению к Солнцу показаны на схеме.
Обращаясь вокруг Земли Луна движется по орбите со скоростью 1 км/сек, т.е достаточно медленно чтобы не покинуть свою орбиту и "улететь" в космос, но и достаточно быстро, чтобы не упасть на Землю . Прямо отвечая автору вопроса, можно сказать, что Луна упадет на Землю только в том случае, если не будет двигаться по орбите, т.е. если внешние силы (некая космическая рука) остановят Луну в ее движении по орбите, то она естественным образом упадет на Землю . Однако при этом выделится столько энергии, что говорить о падении Луны на Землю , как твердого тела не приходится.
И еще по движению Луны.
Для наглядности модель перемещения Луны в пространстве упрощают. При этом мы не потеряем математической и небесно-механической строгости, если, взяв за основу более простой вариант, не забудем учесть влияние многочисленных возмущающих движение факторов.
Предположив Землю неподвижной, можно представить Луну спутником нашей планеты, движение которого подчиняется законам Кеплера и происходит по эллиптической" орбите. Согласно подобной схеме среднее значение эксцентриситета лунной орбиты составляет е = 0,055. Большая полуось этого эллипса равна по величине среднему расстоянию, т. е. 384 400 км. В апогее при наибольшем удалении это расстояние увеличивается до 405 500 км, а в перигее (при наименьшем удалении) составляет 363300 км- Плоскость лунной орбиты наклонена к плоскости эклиптики на некоторый угол.
Выше приведена схема, поясняющая геометрический смысл элементов орбиты Луны.
Элементы орбиты Луны описывают среднее, невозмущенное движение Луны,
Однако влияние Солнца и планет приводит к тому, что орбита Луны изменяет свое положение в пространстве. Линия узлов движется в плоскости эклиптики в направлении, обратном движению Луны по орбите. Следовательно, значение долготы восходящего узла непрерывно меняется. Полный оборот линия узлов совершает за 18,6 года.
Луна моментально упала бы на Землю, если бы была неподвижной. Но Луна не стоит на месте, она вращается вокруг Земли.
Вы можете убедиться в этом сами, проведя простой эксперимент. Привяжите к ластику нитку и начните ее раскручивать. Ластик на нитке будет прямо-таки вырываться из вашей руки, но нитка его не пустит. А теперь остановите вращение. Ластик тут же упадет.
Еще более наглядный пример-аналогия - чертово колесо. Люди не выпадают из этой карусели, когда находятся в высшей точке, даже несмотря на то, что находятся вниз головой, потому что центробежная сила, которая отбрасывает их наружу (притягивает к сиденью), больше, чем сила тяготения Земли. Скорость вращения чертова колеса специально рассчитывается, и если бы центробежная сила оказалась меньше, чем сила притяжения Земли, это закончилось бы катастрофой - люди выпадали бы из своих кабин.
Точно так же обстоит дело с Луной. Сила, которая не дает Луне "убежать" при вращении - это сила притяжения Земли . А сила, которая не дает Луне упасть на Землю - это центробежная сила, которая возникает при вращении Луны вокруг Земли. Обращаясь вокруг Земли, Луна движется по орбите со скоростью 1 км/сек, то есть достаточно медленно, чтобы не покинуть свою орбиту и "улететь" в космос, но и достаточно быстро, чтобы не упасть на Землю.
Между прочим...
Вы удивитесь, но на самом деле Луна... отдаляется от Земли со скоростью 3-4 см в год! Движение Луны вокруг Земли можно представить как медленно раскручивающуюся спираль. Причиной такой траектории Луны является Солнце, которое притягивает Луну в 2 раза сильнее, чем Земля.
Почему же тогда Луна не падает на Солнце? А потому что Луна вместе с Землей вращается, в свою очередь, вокруг Солнца, и притягательное действие Солнца без остатка тратится на то, чтобы постоянно переводить оба эти тела с прямого пути на искривленную орбиту.
В статье рассказывается о том, почему Луна не падает на Землю, причины движения ее вокруг Земли и некоторые другие аспекты небесной механики нашей Солнечной системы.
Начало космической эры
Естественный спутник нашей планеты всегда привлекал к себе внимание. В древние времена Луна была предметом культа некоторых религий, а с изобретением примитивных телескопов первые астрономы не могли оторваться от созерцания величественных кратеров.
Чуть позже, с открытием в других областях астрономии, стало ясно, что подобный небесный спутник есть не только у нашей планеты, но и у ряда других. А у Юпитера, их целых 67 штук! Но наш лидирует по размеру во всей системе. Но почему Луна не падает на Землю? С чем связано ее движение по одной и той же орбите? Об этом мы и поговорим.
Небесная механика
Для начала, нужно разобраться с тем, что такое движение по орбите и почему оно происходит. Согласное определению, которым пользуются физики и астрономы, орбита — это движение в другого, значительно превосходящего по массе, объекта. Долгое время считалось, что орбиты планет и спутников имеют круговую форму как самую естественную и совершенную, но Кеплер после безуспешных попыток применить эту теорию на движение Марса, отверг ее.
Как известно из курса физики, любые два объекта испытывают взаимные так называемую гравитацию. Те же самые силы влияют на нашу планету и Луну. Но если они притягиваются, то почему Луна не падает на Землю,как было бы логичней всего?
Все дело в том, что и Земля не стоит на месте, а движется вокруг Солнца по эллипсу, как бы постоянно «убегая» от своего спутника. А тот, в свою очередь, имеют инерционную скорость, из-за чего путешествует по опять-таки эллиптической орбите.
Наиболее простой пример, который может объяснить данное явление, это мячик на веревке. Если раскрутить его, то будет удерживать объект в той или иной плоскости, а если сбавить обороты, то ее будет недостаточно и мячик упадет. Такие же силы воздействуют и Земли увлекает ее за собой, не давая стоять на месте, а центробежная сила, развитая в результате вращения, удерживает, не давая приблизиться на критическое расстояние.
Если на вопрос о том, почему Луна не падает на Землю, привести еще более простое объяснение, то причина этому — равное взаимодействие сил. Наша планета притягивает спутник, заставляя вращаться, а центробежная сила как бы отталкивает.
Солнце
Подобные законы действуют не только на нашу планету и спутник, им подчиняются и все остальные Вообще, гравитация — очень интересная тема. Движение планет вокруг часто сравнивают с часовым механизмом, настолько оно точное и выверенное. И главное, нарушить его крайне сложно. Даже если убрать из нее несколько планет, то остальные с очень большой вероятностью, перестроятся на новые орбиты, и коллапса с падением на центральную звезду не произойдет.
Но если наше светило оказывает такое колоссальное гравитационное воздействие даже на самые удаленные объекты, то почему Луна не падает на Солнце?Конечно, звезда находится на гораздо более далеком расстоянии, чем Земля, но и масса его, а значит и гравитация, на порядок выше.
Все дело в том, что и его спутник двигаются также по орбите вокруг Солнца, и последнее воздействует не по отдельности на Луну и Землю, а на их общий центр масс. И на Луну оказывается двойное влияние гравитации, — звезды и планеты, а вслед за ним и центробежной силы, которая уравновешивает их. А иначе все спутники и прочие объекты давно бы сгорели в жарком светиле. Именно таков ответ на частый вопрос о том, почему Луна не падает.
Движение Солнца
Еще стоит упомянуть такой факт, что Солнце также движется! А вместе с ним, и вся наша система, хотя мы и привыкли считать, что космическое пространство стабильное и неизменное, за исключением орбит планет.
Если смотреть более глобально, в рамках систем и целых их скоплений, то можно увидеть, что они также перемещаются по своим траекториям. В данном случае Солнце со своими «спутниками» вращается вокруг центра галактики Если условно представить эту картину сверху, то выглядит она как спираль со множеством ответвлений, которые называются галактические рукава. В одном из таких рукавов вместе с миллионами других звезд, движется и наше Солнце.
Падение
Но все же, если задаться таким вопросом и пофантазировать? Какие нужны условия, при которых Луна врежется в Землю или отправится в путешествие к Солнцу?
Произойти это может, если спутник перестанет вращаться вокруг главного объекта и пропадает центробежная сила, также если его орбиту что-то сильно изменит и добавит скорости, к примеру, столкновение с метеоритом.
Ну а к звезде она отправится, если целенаправленно каким-то образом остановить ее движение вокруг Земли и придать начальное ускорение к светилу. Но вероятнее всего, Луна просто постепенно встанет на новую искривленную орбиту.
Подведем итоги: Луна не падает на Землю, потому что, помимо притяжения нашей планеты, на нее воздействует и центробежная сила, которая ее как бы отталкивает. В результате два этих явления уравновешивают друг друга, спутник не улетает и не врезается в планету.
