Я так і не зрозумів. чому земля не падає на Сонце. Чому земля не падає? Чому земля не притягується до сонця
Подивіться вгору, там стеля чи небо. Подивіться вниз, там підлога чи земля. Ми вживаємо слова "верх" і "низ" десятки разів на день, не замислюючись про їх значення. Ми говоримо: "Те, що підкинеш вгору, обов'язково впаде вниз". М'яч злітає до неба і падає після цього вниз. Але ми бачимо в небі безліч зірок. Чому вони, як м'яч, не падають униз?
Що таке верх і низ
Хвилинку! Чи справді слова «верх» і «низ» означають те, що ми їм приписуємо? Якщо ми перелетимо на Південний полюс, в Антарктиду, то нам не доведеться ходити там вниз головою. Куди б ми не потрапили на Землі, скрізь зверху буде небо, а під ногами твердий ґрунт.
Те, що ми називаємо «низ», має безпосереднє відношення до сили тяжіння (гравітації). Предмети падають у напрямку до землі – ми називаємо це «низ», тому що їх притягує гравітація, яка перебуває у нас під ногами. Але якщо ми відійдемо від Землі в космічному кораблі, то поняття «верх» та «низ» втратить своє значення. Під час космічного польоту існує лише величезний порожній простір між планетами та зірками. Падаючі або «літаючі» зірки – це насправді метеорити, уламки каменю чи льоду, притягнуті з космосу до Землі силою її тяжіння
Космос, тяжіння, верх і низ
У космосі неможливо визначити – де верх, а де низ. Оскільки в космосі дійсно немає сили тяжіння, то космонавт не в змозі визначити де верх, а де низ. Космонавт може ходити по стелі корабля або підлогою. При цьому він не відчуватиме жодної різниці: «верх» і «низ» з'являються тоді, коли ми якимось чином орієнтовані в гравітаційному полі, тобто в полі тяжіння. Як тільки гравітація зменшується або практично зникає, втрачають сенс поняття «верх» та «низ».
Все, однак, змінюється під час посадки космічного корабля. Починає виявлятися сила земного тяжіння. Коли корабель наближається до Землі, космонавт відразу згадує де верх, а де низ. Кожна планета, як і кожна зірка, має силу тяжіння. Гігантська гравітація - це сила, яка утримує на орбіті навколо Сонця дев'ять планет нашої Сонячної системи, включаючи і Землю.
Тож зірки чому не падають?
Зірки нічного неба – це космічні тіла, віддалені від нас на трильйони та трильйони кілометрів. Тяжіння між ними і Землею зневажливо мало. Але якби колись ці зірки наблизилися до Землі, то вона впала б на зірки, притягнута їх гігантським тяжінням, а не навпаки. Так що, на жаль! Зірки не падають і не впадуть на землю. На Землю падають лише метеорити – ці шматки скель чи льоду, які люди брали за зірки. Романтично, але не так.
Якщо Ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.
Закон всесвітнього тяжіння говорить нам про те, що всі тіла перебувають між собою у гравітаційній взаємодії, тобто взаємно притягуються одне до одного. Причому сила, з якою одне тіло притягує себе інше, прямо пропорційна масі цього тіла. Якщо маси тіл непорівнянні один з одним, і одне тіло в сотні або тисячі разів важче за інше, то важче тіло повністю притягне до себе легке.
Щодня ми бачимо, як якийсь предмет падає на землю. Це планета Земля як фізичне тіло притягує себе річ, яка втратила опору.
Але ж Земля і сама знаходиться поблизу ще тяжчого небесного тіла - Сонця. Маса Сонця в 333 000 більша за масу Землі, то чому Земля не падає на Сонце?
Вся справа в тому, що сила, з якою Земля притягується до Сонця, врівноважується відцентровою силою, що діє на Землю під час її руху по колу навколо Сонця.
Що таке відцентрова сила
Відцентрова сила - це сила, яка впливає на тіла при їхньому обертальному русі по колу. При цьому тіло, що обертається, прагне полетіти від центру цього кола з постійним прискоренням. Відцентрове прискорення залежить від швидкості обертання тіла. Що швидкість, то більше прискорення.
Показовий приклад. Візьмемо кульку, підвішену на мотузочку. У спокійному стані кулька під впливом гравітаційної сили Землі висить на мотузці у напрямку вертикально вниз. Це на нього діє сила тяжіння Землі. Цілком впасти на землю йому не дає лише сила натягу нитки.
Якщо кульку розкрутити в горизонтальній площині з великою швидкістю, на неї почне діяти відцентрова сила. Кулька більше не висітиме вертикально вниз, а обертатиметься в горизонтальній площині і ніби віддалятиметься від центру обертання. Можна навіть фізично відчути, як кулька, що обертається, розтягує мотузку. А утримує кульку біля центру обертання та сама сила натягу нитки. Якщо розкрутити кульку до такої швидкості, що відцентрова сила стане більше сили натягу нитки, то нитка порветься, і кулька полетить по прямій, перпендикулярній радіусу її обертання. Але при цьому обертатися далі він не буде, відцентрова сила зникне і, пролетівши трохи, кулька впаде на землю (самі розумієте, чому).
Відцентрова сила обертання Землі
Аналогічна взаємодія спостерігається і під час руху Землі навколо Сонця. Відцентрова сила, що діє на Землю при її обертанні, видаляє її від центру обертання (тобто від Сонця). Але якщо Земля припинить обертатись навколо Сонця і зупиниться, то Сонце притягне її до себе.
З іншого боку, сила тяжіння Сонця врівноважує відцентрову силу обертання Землі. Сонце притягує Землю, Земля неспроможна полетіти від центру свого обертання і рухається постійної орбіті навколо Сонця. Але якщо швидкість обертання Землі багаторазово збільшиться, і відцентрова сила перевищить силу тяжіння Сонця, то Земля відлетить у відкритий космос і якийсь час летітиме як комета, доки не потрапить під тяжіння іншого тіла з ще більшою масою.
Земля, як і інші планети, обертається навколо Сонця за своєю орбітою, що має форму еліпса. Добре знайомий зі шкільної програми закон тяжіння говорить про взаємне тяжіння таких величезних астрономічних тіл як Сонце і Земля.
Причому тіло із меншою масою рухається у бік тіла із великою масою. Відповідно до цього закону наша Земля має впасти на Сонце. Давайте з'ясуємо, чому Земля не падає на Сонце, І за рахунок якої стримуючої сили цього не відбувається!
Сила, що утримує планету Земля від падіння на Сонці
Виявляється, що саме собою падіння існує, причому постійно! Так, Земля перебуває у стані постійного падіння у бік Сонця. І якби Земля не оберталася навколо Сонця, — це давно вже сталося б.
Протидіючої силою, яка перешкоджає падінню, є ні що інше, як відцентрова сила, яка виникає внаслідок руху Землі по своїй орбіті навколо Сонця.
І ця сила, як ви вже здогадалися, завжди дорівнює силі тяжіння. Тобто швидкість 30 км/с, з якою Земля рухається своєю орбітою, створює силу, що постійно відхиляє траєкторію польоту Землі від перпендикулярно спрямованого падіння у бік Сонця.
Вдумайтеся як налагоджений цей механізм, який створює цей незмінний баланс сил, який існує більш ніж 5 млрд. років. Якби швидкість була більшою, ми б постійно відхилялися від Сонця, і в разі зменшення рівно навпаки.
Розрахунок гравітаційної сили між Землею та Сонцем
Чи можна порахувати цю силу тяжіння, яка виникає між Землею і Сонцем? Звичайно. Для цього достатньо знати їх маси, взаємну відстань одна від одної та постійну гравітаційну константу. Варто зазначити, що відстані між планетами та Сонцем наводиться у довідниках усереднені. Насправді через еліпсоподібні форми орбіт ця відстань протягом року для кожної планети різна щодо Сонця.
Все те ж таки ефект змушує бути на своїх орбітах та інші планети Сонячної системи. Відмінність полягає лише в силах тяжіння. Для кожної планети властива своя орбітальна швидкість, яка створює протидіючу відцентрову силу, що дорівнює силі тяжіння.
Першим кроком у вивченні властивостей тяжіння можна вважати відкриття Йоганном Кеплером законів руху планет навколо Сонця.
Кеплер був першою людиною, якій вдалося виявити, що рух планет навколо Сонця відбувається еліпсами, т. с. витягнутим колам. Він з'ясував також закон зміни швидкості руху планети залежно від її положення на орбіті і відкрив залежність, що пов'язує періоди поводження планет з їх відстанями від Сонця.
Однак закони Кеплера, дозволяючи розраховувати майбутні та минулі положення планет, ще нічого не говорили про природу тих сил, які пов'язують планети та Сонце в струнку систему і не дають розсіятися в просторі. Таким чином, закони Кеплера давали, якщо можна так сказати, лише кінематографічну картину сонячної системи.
Однак питання про те, чому планети рухаються, і яка сила керує цим рухом, виникло вже тоді. Але отримати відповідь на нього вдалося далеко не одразу. У ті часи вчені помилково вважали, що будь-який рух, навіть рівномірний і прямолінійний, може відбуватися лише під дією сили. Тому Кеплер шукав у сонячній системі силу, що «підштовхує» планети і не дає їм зупинитися. Рішення прийшло дещо пізніше, коли Галілео Галілей відкрив закон інерції, згідно з яким швидкість тіла, на яке не діють жодні сили, залишається незмінною або, висловлюючись точнішою мовою: у тих випадках, коли сили, що діють на тіло, рівні нулю, прискорено цього тіла також дорівнює нулю. З відкриттям закону інерції стало очевидно, що в сонячній системі треба шукати не силу, що «підштовхує» планети, а силу, що перетворює їхній прямолінійний рух «за інерцією» на криволінійний.
Закон дії цієї сили, сили тяжіння був відкритий великим англійським фізиком Ісааком Ньютоном в результаті вивчення руху Місяця навколо Землі. Ньютону вдалося встановити, що всі тіла притягують одне одного із силою, пропорційною їх масам і обернено пропорційною квадрату відстані між ними. Цей закон виявився справді універсальним законом природи, чинним як умовах Землі та нашої сонячної системи, і у світовому просторі серед космічних тіл та його систем.
З проявами тяжіння, гравітації ми зустрічаємося буквально на кожному кроці. Падіння тіл на землю, місячні та сонячні припливи, звернення планет навколо Сонця, взаємодія зірок у зоряних скупченнях - все це безпосередньо пов'язане з дією сил тяжіння. У зв'язку з цим закон тяжіння отримав назву «всесвітнього». Його відкриття допомогло розібратися в цілій низці явищ, причини яких раніше залишалися невідомими.
Кількісна сторона закону тяжіння отримала численні підтвердження у точних математичних розрахунках та астрономічних спостереженнях. Досить згадати хоча б про «теоретичне відкриття» Нептуна, восьму планету сонячної системи. Ця нова планета була відкрита французьким математиком Левер'є шляхом математичного аналізу руху сьомої планети Урана, який зазнав «обурення» з боку невідомого тоді небесного тіла.
Історія цього чудового відкриття дуже повчальна. У міру збільшення точності астрономічних спостережень було помічено, що планети у своєму русі довкола Сонця помітно відхиляються від кеплерівських орбіт. На перший погляд це, здавалося, суперечило закону тяжіння, свідчивши сто неточності або навіть неправильності. Однак далеко не всяка суперечність спростовує теорію.
Бувають такі «виключення», які насправді є прямим наслідком закону. Вони є одним з його проявів, що до певного часу вислизає від нашої уваги і лише вкотре свідчить про його справедливість. Із цього приводу існує навіть крилатий вислів: «Виняток підтверджує правило». Дослідження подібних «виключень» просуває вперед наукові знання, що дозволяє глибше вивчити те чи інше явище природи.
Саме так сталося і з рухом планет. Вивчення незрозумілих відхилень планетних шляхів від кеплерівських орбіт врешті-решт призвело до створення сучасної «небесної механіки» - науки, здатної обчислювати рухи небесних тіл.
Якби навколо Сонця рухалася одна єдина планета, її шлях точно збігався б з орбітою, обчисленою на основі закону тяжіння. Однак насправді навколо нашого денного світила звертаються дев'ять великих планет, що взаємодіють не лише із Сонцем, а й одна з одною. Це взаємне тяжіння планет і призводить до тих самих відхилень, про які йшлося вище. Астрономи називають їх «обуреннями».
На початку ХІХ ст. астрономам було відомо лише сім планет, що обертаються навколо Сонця. Але ось у русі сьомої планети Урана виявили страшні «обурення», які не можна було, пояснила, тяжінням з боку відомих шести планет. Залишалося припустити, що на Уран діє невідома «зауранова» планета. Але де вона розташована? В якій точці неба її шукати? Відповісти на ці питання, і взявся французький математик Левер'є.
Нову планету, восьму за рахунком від Сонця, ще ніколи не спостерігала жодна людина. Але, незважаючи на це, Левер'є не сумнівався, що вона існує. Багато довгих днів та ночей провів учений над своїми розрахунками. Якщо раніше астрономічні відкриття відбувалися лише в обсерваторіях, внаслідок спостережень зоряного неба, то Левер'є шукав свою планету, не виходячи з кабінету. Він ясно бачив це за стрункими рядами математичних формул, і коли за його вказівками Галле дійсно виявив восьму планету, названу Нептуном, Левер'є, кажуть, навіть не захотів глянути на неї в телескоп.
Народившись, небесна механіка швидко здобула почесне місце у космічних дослідженнях. Вона є сьогодні одним із найточніших розділів астрономічної павуки.
Досить згадати хоча б про передрахування моментів сонячних та місячних затемнень. Чи відомо вам, наприклад, коли в Москві відбудеться найближче повне затемнення Сонця? Астрономи можуть дати абсолютно точну відповідь. Це затемнення розпочнеться близько 11 години 16 жовтня 2126 р. Небесна механіка допомогла вченим зазирнути па 167 років у майбутнє і точно визначити момент, коли Земля, Місяць і Сонце займуть таке становище один щодо одного, при якому місячна тінь впаде на територію Москви. А розрахунки руху космічних ракет, штучних небесних тіл, створених руками людини? У основі знову-таки лежить закон тяжіння.
Переміщення будь-якого небесного тіла, зрештою, повністю визначається силою тяжіння, що діє на нього, і тією швидкістю, якою воно володіє. Можна сказати, що в сучасному стані системи небесних тіл однозначно укладено її майбутнє. Тому основне завдання небесної механіки полягає в тому, щоб, знаючи взаємне розташування та швидкості якихось небесних тіл, розрахувати їх майбутні переміщення у просторі. У математичному відношенні завдання це дуже складне. Справа в тому, що в будь-якій системі космічних тіл, що рухаються, відбувається постійний перерозподіл мас, а завдяки цьому змінюється величина і напрямок сил, що діють на кожне тіло. Тому навіть для найпростішого випадку руху трьох тіл, що взаємодіють, досі не існує повного математичного рішення. Точне вирішення цієї проблеми, відомої в «небесній механіці» під назвою «завдання трьох тіл», вдається отримати лише у певних випадках, коли є можливість запровадити відоме спрощення. Подібний випадок має місце, зокрема, тоді, коли маса одного з трьох тіл нікчемна порівняно з іншими масами.
Але саме така ситуація при розрахунку ракетних орбіт, наприклад, у разі польоту до Місяця. Маса космічного корабля настільки мала порівняно з масами Землі та Лупи, що її можна не брати до уваги. Ця обставина уможливлює точні розрахунки ракетних орбіт.
Отже, закон дії сил тяжіння нам добре відомий, і ми з успіхом користуємося ним для вирішення низки практичних завдань. Але якими природними процесами зумовлюється тяжіння тіл одне до одного?
