Траектории движения небесных тел — студенческий портал

Наименование разделов и тем Содержание учебного материала, лабораторные  работы и практические занятия, самостоятельная работа обучающихся Объем часов Уровень освоения
Тема 3.3. Движение небесных тел под действием сил тяготения. Закон всемирного тяготения. Возмущения в движении тел Солнечной системы. Масса и плотность Земли.  Определение массы небесных тел. Движение искусственных спутников Земли и космических аппаратов к планетам. Описание особенностей движения тел Солнечной системы под действием сил тяготения по орбитам с различным эксцентриситетом. Объяснение причин возникновения приливов на Земле и возмущений в движении тел Солнечной системы. Понимание особенности движения и маневров космических аппаратов для исследования тел Солнечной системы. 2 2

3.3.1. Закон всемирного тяготения.

Согласно закону всемирного тяготения, изученному в курсе физики,

все тела во Вселенной притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними: 

где т1 и т2 — массы тел; r — расстояние между ними; — гравитационная постоянная.

Траектории движения небесных тел - Студенческий порталОткрытию закона всемирного тяготения во многом способствовали законы движения планет, сформулированные Кеплером, и другие достижения астрономии XVII в. Так, знание расстояния до Луны позволило Исааку Ньютону (1643—1727) доказать тождественность силы, удерживающей Луну при ее движении вокруг Земли, и силы, вызывающей падение тел на Землю.

Ведь если сила тяжести меняется обратно пропорционально квадрату расстояния, как это следует из закона всемирного тяготения, то Луна, находящаяся от Земли на расстоянии примерно 60 ее радиусов, должна испытывать ускорение в 3600 раз меньшее, чем ускорение силы тяжести на поверхности Земли, равное 9,8 м/с. Следовательно, ускорение Луны должно составлять 0,0027 м/с2.

В то же время Луна, как любое тело, равномерно движущееся по окружности, имеет ускорение

где ω — ее угловая скорость, — радиус ее орбиты. Если считать, что радиус Земли равен6400 км, то радиус лунной орбиты будет составлять = 60 • 6 400 000 м = 3,84 •106 м. Звездный период обращения Луны Т = 27,32 суток, в секундах составляет 2,36 •106 с. Тогда ускорение орбитального движения Луны

Траектории движения небесных тел - Студенческий портал

Равенство этих двух величин ускорения доказывает, что сила, удерживающая Луну на орбите, есть сила земного притяжения, ослабленная в 3600 раз по сравнению с действующей на поверхности Земли.

Можно убедиться и в том, что при движении планет, в соответствии с третьим законом Кеплера, их ускорение и действующая на них сила притяжения Солнца обратно пропорциональны квадрату расстояния, как это следует из закона всемирного тяготения. Действительно, согласно третьему закону Кеплера отношение кубов больших полуосей орбит и квадратов периодов обращения T есть величина постоянная:

Траектории движения небесных тел - Студенческий портал

Ускорение планеты равно

Траектории движения небесных тел - Студенческий портал

Из третьего закона Кеплера следует

поэтому ускорение планеты равно

Траектории движения небесных тел - Студенческий портал

Итак, сила взаимодействия планет и Солнца удовлетворяет закону всемирного тяготения.

3.3.2. Возмущения в движении тел Солнечной системы.

Законы Кеплера строго выполняются, если рассматривается движение двух изолированных тел (Солнце и планета) под действием их взаимного притяжения.

Однако в Солнечной системе планет много, все они взаимодействуют не только с Солнцем, но и между собой. Поэтому движение планет и других тел не в точности подчиняется законам Кеплера.

Отклонения тел от движения по эллипсам называют возмущениями.

Возмущения эти невелики, так как масса Солнца гораздо больше массы не только отдельной планеты, но и всех планет в целом. Наибольшие возмущения в движении тел Солнечной системы вызывает Юпитер, масса которого в 300 раз превышает массу Земли. Особенно заметны отклонения астероидов и комет при их прохождении вблизи Юпитера.

В настоящее время возмущения учитываются при вычислении положения планет, их спутников и других тел Солнечной системы, а также траекторий космических аппаратов, запускаемых для их исследования. Но еще в XIX в. расчет возмущений позволил сделать одно из самых известных в науке открытий «на кончике пера» — открытие планеты Нептун.

Траектории движения небесных тел - Студенческий порталПроводя очередной обзор неба в поиске неизвестных объектов, Вильям Гершельв 1781 г. открыл планету, названную впоследствии Ураном. Спустя примерно полвека стало очевидно, что наблюдаемое движение Урана не согласуется с расчетным даже при учете возмущений со стороны всех известных планет. На основе предположения о наличии еще одной «заурановой» планеты были сделаны вычисления ее орбиты и положения на небе. Независимо друг от друга эту задачу решили Джон Адамcв Англии и Урбен Леверьево Франции. На основе расчетов Леверье немецкий астроном Иоганн Галле 23 сентября 1846 г.обнаружил в созвездии Водолея неизвестную ранее планету — Нептун. Это открытие стало триумфом гелиоцентрической системы, важнейшим подтверждением справедливости закона всемирного тяготения. В дальнейшем в движении Урана и Нептуна были замечены возмущения, которые стали основанием для предположения о существовании в Солнечной системе еще одной планеты. Ее поиски увенчались успехом лишь в 1930 г.,когда после просмотра большого количества фотографий звездного неба была открыта самая далекая от Солнца планета — Плутон.

3.3.3. Масса и плотность Земли.

Закон всемирного тяготения позволил определить массу нашей планеты. Исходя из закона всемирного тяготения, ускорение свободного падения можно выразить так:

Подставим в формулу известные значения этих величин:

g = 9,8 м/с , G = 6,67 • 10-11 H • м2/кг2, R = 6370 км — и получим, что масса Земли М = 6 • 1024 кг

Зная массу и объем земного шара, можно вычислить его среднюю плотность: 5,5 • 103 кг/м3. С глубиной за счет увеличения давления и содержания тяжелых элементов плотность возрастает.

3.3.4. Определение массы небесных тел.

Более точная формула третьего закона Кеплера, которая была получена Ньютоном, дает возможность определить одну из важнейших характеристик любого небесного тела — массу. Выведем эту формулу, считая (в первом приближении) орбиты планет круговыми.

Пусть два тела, взаимно притягивающиеся и обращающиеся вокруг общего центра масс, имеющие массы m1 и m2, находятся от центра масс на расстоянии r1 и r2и обращаются вокруг него с периодом Т. Расстояние между их центрами r1 + r2. На основании закона всемирного тяготения ускорение каждого из этих тел равно:

Траектории движения небесных тел - Студенческий портал

Угловая скорость обращения вокруг центра масс составляет Тогда центростремительное ускорение выразится для каждого тела так:

Траектории движения небесных тел - Студенческий портал

Приравняв полученные для ускорений выражения, выразив из них r1 и r2и сложив их почленно, получаем:

Траектории движения небесных тел - Студенческий портал

откуда

Траектории движения небесных тел - Студенческий портал

Посколькув правой части этого выражения находятся только постоянные величины, оно справедливо для любой системы двух тел, взаимодействующих по закону тяготения и обращающихся вокруг общего центра масс, — Солнце и планета, планета и спутник. Определим массу Солнца, для этого запишем выражение:

где М — масса Солнца; m1 — масса Земли; т2 — масса Луны; T1 и a1 — период обращения Земли вокруг Солнца (год) и большая полуось ее орбиты; Т2 и а2 — период обращения Луны вокруг Земли и большая полуось лунной орбиты.

Пренебрегая массой Земли, которая ничтожно мала по сравнению с массой Солнца, и массой Луны, которая в 81 раз меньше массы Земли, получим:

Подставив в формулу соответствующие значения и приняв массу Земли за 1, мы получим, что Солнце примерно в 333 000 раз по массе больше нашей планеты.

Массы планет, не имеющих спутников, определяют по тем возмущениям, которые они оказывают на движение астероидов, комет или космических аппаратов, пролетающих в их окрестностях.

3.3.5. Причины возникновения приливов на Земле

Под действием взаимного притяжения частиц тело стремится принять форму шара. Если эти тела вращаются, то они деформируются, сжимаются вдоль оси вращения.

Кроме того, изменение их формы происходит и под действием взаимного притяжения, которое вызывают явления, называемые приливами. Давно известные на Земле, они получили объяснение только на основе закона всемирного тяготения.

Рассмотрим ускорения, создаваемые притяжением Луны в различных точках земного шара (рис. 3.13). Поскольку точки А, В находятся на различных расстояниях от Луны, ускорения, создаваемые ее притяжением, будут различны.

Разность ускорений, вызываемых притяжением другого тела в данной точке и в центре планеты, называется приливным ускорением.

Приливные ускорения в точках А и В направлены от центра Земли. В результате Земля, и в первую очередь ее водная оболочка, вытягивается в обе стороны по линии, соединяющей центры Земли и Луны.

В точках А и В наблюдается прилив, а вдоль круга, плоскость которого перпендикулярна этой линии, на Земле происходит отлив. Тяготение Солнца также вызывает приливы, но из-за большей его удаленности они меньше, чем вызванные Луной.

Приливы наблюдаются не только в гидросфере, но и в атмосфере и в литосфере Земли и других планет.

Вследствие суточного вращения Земля стремится увлечь за собой приливные горбы, в то же время вследствие тяготения Луны, которая обращается вокруг Земли за месяц, полоса приливов должна перемещаться по земной поверхности значительно медленнее.

В результате между огромными массами воды, участвующей в приливных явлениях, и дном океана возникает приливное трение. Оно тормозит вращение Земли и вызывает увеличение продолжительности суток, которые в прошлом были значительно короче (5—6 ч).

Вместе с тем приливы, вызываемые Землей на Луне, затормозили ее вращение, и она теперь обращена к Земле одной стороной. Такое же медленное вращение характерно для многих спутников Юпитера и других планет.

Сильные приливы, вызываемые на Меркурии и Венере Солнцем, по-видимому, являются причиной их крайне медленного вращения вокруг оси.

3.3.6. Движение искусственных спутников Земли и космических аппаратов к планетам.

Возможность создания искусственного спутника Земли теоретически обосновал еще Ньютон.

Он показал, что существует такая горизонтально направленная скорость  при которой тело, падая на Землю, тем не менее на нее не упадет, а будет двигаться вокруг Земли, оставаясь от нее на одном и том же расстоянии.

При такой скорости тело будет приближаться к Земле вследствие ее притяжения как раз на столько, на сколько из-за кривизны поверхности нашей планеты оно будет от нее удаляться (рис. 3.14). Эту скорость, которую называют первой космической (или круговой), известна вам из курса физики:

Практически осуществить запуск искусственного спутника Земли оказалось возможно лишь через два с половиной столетия после открытия Ньютона — 4 октября 1957 г.

За сорок с лишним лет, прошедшие с этого дня, который нередко называют началом космической эры человечества, во многих странах мира запущено около 4000 спутников различного устройства и назначения. Созданы орбитальные станции, на которых длительное время, сменяя друг друга, работают экипажи, состоящие из космонавтов разных стран.

Американские астронавты неоднократно посещали Луну, автоматические межпланетные станции исследовали все планеты Солнечной системы, за исключением самой отдаленной планеты Плутон.

Космические аппараты (КА), которые направляются к Луне и планетам, испытывают притяжение со стороны Солнца и согласно законам Кеплера так же, как и сами планеты, движутся по эллипсам. Скорость движения Земли по орбите составляет около 30 км/с.

Если геометрическая сумма скорости космического аппарата, которую ему сообщили при запуске, и скорости Земли будет больше этой величины, то КА будет двигаться по орбите, лежащей за пределами земной орбиты. Если меньше — внутри ее.

В первом случае, когда он полетит к Марсу или другой внешней планете, энергетические затраты будут наименьшими, если КА достигнет орбиты этой планеты при своем максимальном удалении от Солнца— в афелии (рис. 3.15).

Кроме того, необходимо так рассчитать время старта КА, чтобы к этому моменту в ту же точку своей орбиты пришла планета. Иначе говоря, начальная скорость и день запуска КА должны быть выбраны таким образом, чтобы КА и планета, двигаясь каждый по своей орбите, одновременно подошли к точке встречи.

Читайте также:  Характеристики рек России - бассейны и протяженности, тепловой режим

Во втором случае — для внутренней планеты — встреча с КА должна произойти в перигелии его орбиты (рис. 3.16). Такие траектории полетов называются полуэллиптическими. Большие оси этих эллипсов проходят через Солнце, которое находится в одном из фокусов, как и полагается по первому закону Кеплера.

Источник: http://infofiz.ru/index.php/mirastr/astronomlk/557-lk7asrt?showall=1&limitstart=

Видимые движения небесных тел — Класс!ная физика

В этом разделе мы изучим строение Солнечной системы, законы, описывающие движение планет, проявления гравитационного взаимодействия в системе Земля — Луна, физические свойства Солнца и звезд.

Используя известные законы физики, заглянем в недра звезд, обсудим их жизнь и смерть. Узнаем, что останется после смерти Солнца и более массивных звезд. Изучение мира галактик позволит нам узнать, как устроен Млечный Путь и где образуются звезды.

Мы посмотрим, как наблюдаемое красное смещение в спектрах галактик указывает на расширение Вселенной в целом и что наблюдаемое реликтовое излучение, заполняющее всю Вселенную, указывает на то, что в прошлом Вселенная была не только плотной, но и горячей.

Увидим, как знание законов небесной механики позволяет смоделировать движение не только планет, но и искусственных небесных тел.

Солнечная система

Сложные видимые петлеобразные движения планет среди звезд объясняются движением Земли и планет вокруг Солнца. Сложный характер движения Луны вокруг Земли и Земли вокруг Солнца объясняет смену лунных фаз, явление приливов и отливов, а также закономерности солнечных и лунных затмений.

Видимые движения небесных тел

Темной ночью мы можем увидеть на небе около 2500 звезд (с учетом невидимого полушария 5000), которые отличаются по блеску и цвету. Кажется, что они прикреплены к небесной сфере и вместе с ней обращаются вокруг Земли. Чтобы ориентироваться среди них, небо разбили на 88 созвездий. Во II в. до н. э.

Гиппарх разделил звезды по блеску на звездные величины, самые яркие он отнес к звездам первой величины (1m), а самые слабые, едва видимые невооруженным глазом, — к 6m. В созвездии звезды обозначаются греческими буквами, некоторые самые яркие звезды имеют собственные названия. Так, Полярная звезда — α Малой Медведицы имеет блеск 2m.

Самая яркая звезда северного неба Вега — α Лиры имеет блеск около 0m.

Траектории движения небесных тел - Студенческий портал

Особое место среди созвездий занимали 12 зодиакальных созвездий, через которые проходит годичный путь Солнца — эклиптика. Так, в марте Солнце движется по созвездию Рыб, в мае — Тельца, в августе — Льва, в ноябре — Скорпиона.

В настоящее время для ориентации среди звезд астрономы используют различные системы небесных координат. Одна из них — экваториальная система координат. В ее основе лежит небесный экватор — проекция земного экватора на небесную сферу.

Точка весеннего равноденствия находится в созвездии Рыбы, и она служит начальной точкой, от которой в направлении против часовой стрелки отсчитывается координата прямое восхождение, которую обычно обозначают буквой α. Эта координата является аналогом долготы в географических координатах. В астрономии принято прямое восхождение измерять в часовой мере, а не в градусной.

При этом исходят из того, что полная окружность составляет 24 ч. Вторая координата светила δ — склонение — является аналогом широты, ее измеряют в градусной мере. Так, звезда Альтаир (α Орла) имеет координаты α = 19ч48м18с, склонение δ = +8°44’ Измеренные координаты звезд хранят в каталогах, по ним строят звездные карты, которые используют астрономы при поиске нужных светил.

Траектории движения небесных тел - Студенческий портал

Взаимное расположение звезд на небе не меняется, они совершают суточное вращение вместе с небесной сферой. Планеты наряду с суточным вращением совершают медленное движение среди звезд, оправдывая свое название (planetas в переводе с греческого — блуждающая звезда).

Траектории движения небесных тел - Студенческий портал

Видимый путь планет на небе петлеобразен. Размеры описываемых планетами петель различны. На рисунке показано видимое петлеобразное движение Марса, которое длится 79 дней.

Наиболее просто видимое движение планет и Солнца описывается в системе отсчета, связанной с Солнцем. Такой подход получил название гелиоцентрической системы мира и был предложен польским астрономом Николаем Коперником (1473—1543).

В этой системе суточное движение небесного свода объясняется вращением Земли вокруг оси, годичное движение Солнца по эклиптике — движением Земли вокруг Солнца, а описываемые планетами петли — сложением движений Земли и планет. Вокруг Земли движется только Луна. Коперник рассчитал расстояния планет до Солнца.

В астрономии среднее расстояние от Земли до Солнца принято за единицу расстояния и называется астрономической единицей (а. е.), 1 а. е. = 150 • 106 км. Так, Меркурий находится от Земли на расстоянии 0,39 а. е., а Сатурн — на расстоянии 9,54 а. е.

Траектории движения небесных тел - Студенческий портал

В античные времена и вплоть до Коперника полагали, что в центре Вселенной расположена Земля и все небесные тела обращаются по сложным траекториям вокруг нее. Эта система мира называется геоцентрической системой мира.

Доказательство движения Земли вокруг Солнца и определение расстояний до звезд.

Если Земля обращается вокруг Солнца, то близкие звезды должны периодически смещаться на фоне более далеких звезд. Это смещение называется параллактическим, а угол π, под которым со звезды виден радиус земной орбиты, называется параллаксом. Как видно из вышеприведенного рисунка, расстояние до звезды

Траектории движения небесных тел - Студенческий портал

Так как параллакс звезд мал, мы заменили синус малого угла самим углом, выраженным в радианной мере, а затем перешли от радианной меры к градусной, учтя, что 1 рад = 206 265″. В астрономии принято измерять расстояние до звезд в парсеках (пк).

1 пк = 206 265 • а0 = 206 265 • 150 • 106 км = 3 • 1013 км.

Итак, если параллакс измерять в угловых секундах, а расстояние до звезды — в парсеках, то связью между ними будет равенство

Траектории движения небесных тел - Студенческий портал

Только во второй половине XIX в. удалось измерить параллаксы и расстояния до звезд и тем самым подтвердить теорию Коперника наблюдениями. Так, ближайшая к нам звезда а Центавра имеет параллакс π = 0,751″, поэтому расстояние до нее r = 1,33 пк = 4 • 1013 км.

Для определения положения звезд используются небесные экваториальные координаты. Сложное петлеобразное движение планет объясняется движением Земли и планет вокруг Солнца, а наблюдение годичного параллакса у звезд не только подтверждает обращение Земли вокруг Солнца, но и позволяет определять расстояния до них.

Следующая страница «Законы движения планет» Назад в раздел «Астроноия -конспекты»

Астрономия. 11 класс — Конспекты по учебнику «Физика-11» (Мякишев, Буховцев, Чаругин) — Класс!ная физика

Видимые движения небесных тел — Законы движения планет — Система Земля—Луна — Физическая природа планет и малых тел солнечной системы — Солнце — Основные характеристики звезд — Внутреннее строение Солнца и звезд главной последовательности. Эволюция звезд — Млечный Путь — наша Галактика — Галактики — Строение и эволюция Вселенной — Кратко о солнечной системе и строении Вселенной

Источник: http://class-fizika.ru/11_a1.html

1.2.7. Движение небесных тел и их искусственных спутников. Первая космическая скорость

  • Видеоурок: Движение искусственных спутников
  • Лекция: Движение небесных тел и их искусственных спутников. Первая космическая скорость
  • Первая космическая скорость

Во время изучения движения тел, которые были брошены под некоторым углом к горизонту, мы считали, что Земля плоская. И что тело двигается по параболической траектории. Однако истинные сведенья говорят нам о том, что планета практически имеет форму шара и если телу придать большую скорость, то оно может упасть, обогнув некоторую часть шарообразной Земли. Более того, скорость можно увеличить настолько, что тело начнет двигаться по окружности вокруг Земли.

В том, случае, когда тело начинает двигаться вокруг Земли в его гравитационном поле, его можно назвать спутником нашей планеты. Именно таким требованиям отвечает Луна, являющаяся природным спутником Земли.

Чтобы тело стало спутником Земли, ему следует задать Первую космическую скорость:

Траектории движения небесных тел - Студенческий портал

Зависимость траектории движения спутника от скорости:

1. I космическая скорость (7,9 км/с) — окружность.

2. II космическая скорость (11,2 км/с) — эллипс.

3. При скоростях больших за II космическую скорость тело выходит за пределы гравитационного поля Земли.

Траектории движения небесных тел - Студенческий портал

Искусственные спутники Земли

Для начала любой спутник должны вывести на орбиту. Для этого используют несколько ступенчатые ракеты, в которых находится топливо. За счет их сброса происходит уменьшение массы спутника и ему придается реактивное движение. При данном виде движения тела увеличивают скорость. Скорость увеличивается до значения, которое находится в пределах между первой и второй космической скоростью.

После выхода спутника на орбиту, он начинает двигаться вокруг Земли в поле её притяжения.

Благодаря ИСЗ происходит передача радио и микроволн, поэтому на Земле возможно пользоваться сотовой связью, Интернетом. Благодаря спутником происходит локация кораблей, самолетов, а также много другое.

Предыдущий урок Следующий урок

Источник: https://cknow.ru/knowbase/87-tema-127-dvizhenie-nebesnyh-tel-i-ih-iskusstvennyh-sputnikov-pervaya-kosmicheskaya-skorost.html

Что мы знаем об орбите Земли

Орбита Земли — путь, по которому небесное тело движется вокруг Солнца. Впервые наличие орбиты доказал Николай Коперник. До его открытия считалось, что наша планета неподвижна в космическом пространстве.

Орбита Земли вокруг Солнца. Credit: sc-os.ru.

Как открыли земную орбиту

В античные времена Птолемей, Аристотель и их последователи считали модель построения Вселенной геоцентрической. Согласно ей, в центре располагалась Земля, а все космические тела вращались вокруг планеты. Впервые сомневаться в этом начал древнегреческий ученый Аристарх Самосский.

Наблюдая в III в. до н. э. лунное затмение, он сделал вывод, что Луна не является самостоятельным светилом, а только отражает солнечный свет, и она меньше Солнца по диаметру во много раз. И будет странным, что такой большой небесный объект, как наша звезда, вращается вокруг маленькой Земли.

Геоцентрическая система мира Птолемея. В предложенной системе мира шарообразная Земля покоится в центре Вселенной. Credit: infourok.ru.

Окончательно геоцентрическая теория была развенчана в 1534 г. польским астрономом Н. Коперником, автором гелиоцентрического учения, доказавшим, что Солнце обращаться вокруг Земли не может.

Первым, кто доказал эллиптическую форму орбиты нашей планеты, был немецкий ученый И. Кеплер. Наблюдая за движением Земли и Марса, он понял, что планеты периодически замедляются, а затем снова ускоряются, что было бы невозможно, будь орбита круговой.

Расстояние от Солнца до Земли

Этот параметр зависит от точки нахождения нашей планеты в пространстве. Расстояние равно:

  • в перигелии (ближайшей точке к Солнцу) — 147,1 млн км;
  • в афелии (самой удаленной от светила позиции, называемой также апогелием) — 152,1 млн км.

Для приблизительных расчетов принято среднее значение удаленности (орбитальной полуоси) — 149,6 млн. км. Эта величина является основной мерой измерения расстояний в космосе — 1 астрономической единицей (а.е.). С ее помощью определять длину чего угодно в космическом пространстве проще, чем высчитывать абсолютные значения.Среднее расстояние от Земли до Солнца равняется 0,000004848 парсеков, или примерно 150 млн км. Credit: telegramfor.me. 

Эта мера была принята еще в Средние века, но поначалу не имела никакого численного значения — все линейные расстояния выражались в условной дистанции между Землей и Солнцем. Только в 1672 г.

европейский ученый Дж. Кассини впервые оценил орбитальный радиус Земли в 140 млн км. Это значение было уточнено только советскими астрономами в 1961 г.

Полученное ими значение — 149,5993 млн км с погрешностью +/- 2000 км.

Точку перигелия наша планета проходит в промежутке с 2 до 5 января каждого года. И хотя солнечного тепла на поверхность планеты в этот период попадает больше, в северном полушарии в это время длится зима. В афелии Земля оказывается между 3 и 7 июля, минимум света и тепла от центральной звезды не мешает продолжаться лету во всех регионах севернее экватора.

Траектория движения планеты вокруг Солнца.Credit: wikiwand.com.

Форма траектории движения Земли по орбите

Орбита Земли выглядит более круглой, чем траектории движения большинства планет нашей системы, но это не идеальный круг: вокруг солнца мы движемся по слегка вытянутому эллипсу.

Основная характеристика орбит — эксцентриситет Е, коэффициент их сжатости. Его значение лежит в интервале от 0 (идеальный круг) до 1 (максимально узкий эллипс, вытянутый почти в прямую линию). Для Земли величина Е невелика, всего 0,017. После Венеры с эксцентриситетом 0,007 и Нептуна (Е=0,011) земной результат — третий в Солнечной системе среди объектов планетарного типа.

Незначительное изменение орбитального диаметра нашей планеты играет важную роль в обеспечении возникновения и развития жизни здесь: так поддерживаются стабильные значения средней земной температуры. Для сравнения — эксцентриситет Меркурия составляет 0,2, что вызывает экстремальную смену температуры в течение дня и ночи. Меркурианская орбита — самая вытянутая в нашей системе.

Длина земной орбиты оценивается в 930-940 млн км.

Скорость движения нашей планеты

Движение Земли по орбите осуществляется со средней скоростью около 30 км/с. Любое тело, согласно законам физики, будет двигаться по эллиптической орбите неравномерно: быстрее в перигелии (наша планета в этой точке ускоряется до 30,2 км/с) и медленнее в афелии (земное значение — 29,2 км/с).

На 1 полный оборот вокруг Солнца планета тратит 365,24 суток. Для удобства расчетов этот период принят равным 365 дней, но каждые 4 года земной календарь корректируется — в него вводится 1 дополнительный день.

Плоскость орбиты

Точки любой орбиты всегда лежат в одной плоскости. Для Земли такая космическая «поверхность» называется эклиптикой, все остальные планеты системы движутся в плоскостях, близких к нашей.

Центральное светило тоже вращается вокруг своей оси, в том же направлении, что и все соседние планетарные объекты. Это косвенное доказательство того, что оно и все остальные тела системы образовались из единого газопылевого протооблака.

Но одному явлению объяснение до сих пор не найдено: Солнце вращается с существенным отклонением от эклиптики. Не исключено, что в непосредственной близости от нас существуют крупные неоткрытые планеты, чье гравитационное воздействие так влияет на нашу звезду.

 Плоскость эклиптики — это плоскость обращения Земли вокруг Солнца (земной орбиты). Credit: spacegid.com.

Эклиптика участвует в оценке наклона оси небесного тела. Для нас он составляет 23°, что является причиной неравномерного годового нагрева южного и северного полушарий, когда Земля находится на разных участках орбиты и смены времен года.

Отклонение орбиты от идеальной формы

И. Кеплер вывел несколько законов, описывающих принципы движения небесных тел, и поводов сомневаться в них ученым XVII в. не было. Но с повышением точности измерений начали обнаруживаться отклонения от кеплеровского учения. Немецкий астроном построил свою модель на 2 упрощениях:

  • вес любой планеты принимался пренебрежимо малым относительно веса Солнца;
  • было учтено только взаимное гравитационное влияние светила и планеты, а воздействие соседних небесных тел не принималось во внимание.

Диаграмма, показывающая, как барицентр Солнечной системы менялся с течением времени. Credit: Wikimedia Commons.

Сегодня ученые при вычислении орбитальных характеристик учитывают еще один важный фактор.

Они принимают во внимание, что не только планета вращается вокруг светила, но и связка «небесное тело — звезда» выполняет собственное вращение вокруг барицентра — условной точки в космосе, центра масс.

В силу значимости солнечных габаритов барицентр нашей системы находится внутри Солнца, и он несколько меняет свое расположение.

Сейчас ежегодно расстояние между Землей и нашей звездой увеличивается на 15 см, и разница с сегодняшним значением полуоси достигнет километра уже через 67 тысяч лет — пустяк с точки зрения космического времени.

Но постоянно отдаляться мы не будем: раз в 100 тыс. лет удаление будет сменяться сближением и наоборот.

Такая цикличность наблюдается на планете уже миллионы лет.

Она стала причиной множества глобальных катаклизмов, например, ледниковых периодов.

Вместе с расстоянием до Солнца постоянно изменяется эксцентриситет нашей орбиты. Его величина в разные годы отличалась от сегодняшней и составляла от 0,05 до 0,005.

Насколько устойчива орбита Земли

Согласно кеплеровским законам, планеты Солнечной системы и местные непланетарные объекты способны вращаться вокруг своего светила бесконечно долго. На практике возможны случаи, когда небесные тела покидают орбиту и улетают в космическое пространство либо притягиваются Солнцем и погибают, врезавшись в него.

Предсказать аналитическим путем это невозможно, но и компьютерное моделирование не дает точного представления о будущей судьбе нашей системы.

Самым нестабильным выглядит Меркурий — он может упасть на звезду либо начать критически удаляться от нее до момента столкновения с Венерой или нашей планетой. Прогнозы для Земли более благоприятны.

Даже через миллиарды лет она все еще будет оставаться на своей орбите.

Источник: https://o-kosmose.ru/solnechnaya-sistema/chto-my-znaem-ob-orbite-zemli

Некоторые сведения о движении небесных тел

Согласно современным научным представлениям Вселенная, т.е. весь окружающий мир, состоит из миллиардов галактик.

В свою очередь, каждая галактика является гигантской гравитационно-связанной системой из звёзд и звёздных скоплений, межзвёздного газа и пыли, а также тёмной материи.

Наша Солнечная система входит в состав так называемого Млечного Пути — большой спиральной галактики, содержащей примерно 100 миллиардов звёзд.

Солнечная система является планетной системой, включающей в себя центральную звезду — Солнце — и все естественные космические объекты, обращающиеся вокруг него. Солнце является типичной звездой, относится к классу желтых карликов и состоит, в основном, из водорода и гелия.

Средний диаметр Солнца составляет 1,4 миллиона километров (или 109 диаметров Земли), средняя масса – 2×1030 кг (или 333 000 масс Земли), температура на поверхности – около 6000 градусов С.

Интересный факт: каждую секунду на Солнце сгорает около 700 миллиардов тонн водорода, однако, несмотря на такие огромные потери вещества, энергии звезды хватит еще на 5 миллиардов лет (примерно столько же лет Солнцу от рождения).

В составе Солнечной системы 8 планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), они имеют круговые орбиты, располагающиеся в пределах почти плоского диска — плоскости эклиптики. Четыре внутренние планеты (или планеты земной группы): Меркурий, Венера, Земля и Марс, состоят в основном из силикатов и металлов.

Четыре внешние планеты (или газовые гиганты): Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, в значительной степени состоят из водорода и гелия и намного массивнее, чем планеты земной группы. Помимо указанных планет в Солнечной системе существуют еще и карликовые планеты — Плутон, Эрис, Церера, Макемаке и Хаумеа.

Шесть планет из восьми и три карликовые планеты окружены естественными спутниками.

Земля — третья от Солнца планета Солнечной системы, крупнейшая по диаметру, массе и плотности среди планет земной группы. Среднее расстояние от Земли до Солнца составляет 150 миллионов километров — свет проходит его за 8 минут (для сравнения — следующая ближайшая к Земле звезда Проксима Центавра находится на расстоянии четырех световых лет).

Земля образовалась из Солнечной туманности около 4,5 миллиардов лет назад. Масса Земли составляет около 6?1024 кг, средний радиус — 6 371 км. Жизнь появилась на Земле около 3,5 миллиардов лет назад.

С тех пор биосфера планеты значительно изменила атмосферу и прочие абиотические факторы, обусловив количественный рост аэробных организмов, а так же формирование озонового слоя, который вместе с магнитным полем Земли ослабляет вредную солнечную радиацию, тем самым сохраняя условия для жизни.

Кора Земли разделена на несколько сегментов (или тектонических плит), которые постепенно мигрируют по поверхности за периоды во много миллионов лет.

Приблизительно 71% поверхности планеты занимает Мировой океан, остальную часть занимают континенты и острова.

Внутренние области Земли достаточно активны и состоят из мантии (толстого, относительно твёрдого слоя вещества), которая покрывает жидкое внешнее ядро (источник магнитного поля Земли) и внутреннее твёрдое железное ядро.

Земля обращается вокруг Солнца и делает вокруг него полный оборот примерно за 365,26 солнечных суток. Ось вращения Земли наклонена на 23,4° относительно перпендикуляра к её орбитальной плоскости, это вызывает сезонные изменения на поверхности планеты с периодом в один тропический год (365,24 солнечных суток).

У Земли существует единственный естественный спутник — Луна — масса которой составляет примерно 7X1022 кг, а средний радиус – 1 737 км. Среднее расстояние между центрами Земли и Луны – 390 000 км. Луна — второй по яркости объект на земном небосводе Земли после Солнца.

Изучение образцов грунта Луны привело к созданию теории Гигантского столкновения: 4,36 миллиарда лет назад протопланета Земля (Гея) столкнулась с протопланетой Тейя.

Удар пришёлся под углом, почти по касательной, в результате большая часть вещества ударившегося объекта и часть вещества земной мантии были выброшены на околоземную орбиту и, объединившись, образовали прото-Луну. Земля, в результате удара, получила резкий прирост скорости вращения и заметный наклон оси вращения.

Реальная траектория движения Луны в пространстве достаточно сложна и определяется множеством факторов: сплюснутостью Земли, влиянием Солнца, которое притягивает Луну в 2,2 раза сильнее, чем Земля и т.д. Однако в первом приближении можно считать, что относительно Земли Луна двигается по эллиптической орбите.

Следует отметить, что гравитационное взаимодействие Луны и Земли является причиной приливов, которые, в свою очередь, оказывают влияние на скорость собственного вращения Земли.

Между вращением Луны вокруг собственной оси и ее обращением вокруг Земли существует различие: вокруг Земли Луна обращается с переменной угловой скоростью, а вокруг собственной оси — равномерно.

Интересный факт: хотя Луна и вращается вокруг своей оси, она всегда обращена к Земле одной и той же стороной, то есть вращение Луны вокруг Земли и вокруг собственной оси синхронизировано.

Совокупность этих факторов позволяет наблюдать с Земли только около 59% лунной поверхности.

Угол между Землей, Луной и Солнцем постоянно меняется вследствие сложного взаимного движения.

Поскольку Луна не светится сама, а лишь отражает солнечный свет (полная Луна отражает всего 7% падающего на нее солнечного света), то с Земли видна только освещённая Солнцем часть лунной поверхности, площадь которой постоянно меняется – это явление лежит в основе цикла лунных фаз. Освещенная сторона Луны всегда указывает в сторону Солнца, даже если оно скрыто за горизонтом. Период времени между последовательными новолуниями составляет около 29,5 дней.

Для решения астрометрических задач было введено понятие небесной сферы, т.е. воображаемой сферы произвольного радиуса, на которую проецируются небесные тела.

За центр небесной сферы принимается глаз наблюдателя, при этом наблюдатель может находиться как на поверхности Земли, так и в других точках пространства, например, он может быть отнесен к центру Земли. Каждому небесному светилу соответствует точка небесной сферы, в которой ее пересекает прямая, соединяющая центр сферы с центром светила.

Для наземного наблюдателя вращение небесной сферы воспроизводит суточное движение светил на небе. Участки, на которые разделена небесная сфера для удобства ориентирования на звездном небе, называются созвездиями.

В течение мировой истории наблюдатели выделяли различное число созвездий. До XIX века под созвездиями понимались не замкнутые области неба, а группы звезд, которые нередко перекрывались.

Читайте также:  Планета, на которой мы живем - студенческий портал

При этом получалось, что некоторые звезды принадлежали сразу двум созвездиям, а некоторые бедные звездами области неба не относились к какому-либо созвездию вовсе.

В начале XIX века между созвездиями были проведены границы, ликвидировавшие «пустоты» между созвездиями, однако их четкого определения по-прежнему не было, и разные астрономы определяли их по-своему.

В 1922 году решением Международного астрономического союза был окончательно утвержден список из 88 созвездий, на которые было поделено звездное небо, а в 1928 году были приняты четкие и однозначные границы между этими созвездиями. В течение пяти лет в границы созвездий вносились уточнения и, наконец, в 1935 году границы были окончательно утверждены и больше изменяться не будут.

Из 88 созвездий только 47 являются древними, известными западной цивилизации уже несколько тысячелетий. Они основаны в основном на мифологии Древней Греции и охватывают область неба, доступную наблюдениям с юга Европы.

Остальные современные созвездия были введены в XVII—XVIII веках в результате изучения южного неба в эпоху великих географических открытий и заполнения «пустых мест» на северном небе. Названия этих созвездий, как правило, не имеют мифологических корней.

12 созвездий традиционно называют зодиакальными — это те, через которые проходит Солнце (исключая созвездие Змееносца).

К вопросу о происхождении названия нашей галактики: поскольку Солнечная система находятся внутри галактического диска, наполненного поглощающей свет пылью, то Млечный Путь на ночном небосклоне выглядит как клочковатая, напоминающая сгустки молока, полоса звезд.

В северном полушарии Млечный Путь пересекает созвездия Орла, Стрелы, Лисички, Лебедя, Цефея, Кассиопеи, Персея, Возничего, Тельца и Близнецов, а в южном — Единорога, Кормы, Парусов, Южного Креста, Циркуля, Южного Треугольника, Скорпиона и Стрельца (в Стрельце находится галактический центр).

Важным объектом небесной сферы северного полушария является Полярная звезда (альфа Малой Медведицы, или Киносура), располагающаяся на расстоянии около 430 световых лет от Земли.

В настоящую эпоху Полярная звезда находится менее чем в 1° от Северного полюса мира, и поэтому почти неподвижна при суточном вращении звездного неба (полюс мира — точка на небесной сфере, вокруг которой происходит видимое суточное движение звезд из-за вращения Земли вокруг своей оси).

Полярная звезда вследствие ее расположения на небосклоне очень удобна для ориентирования — направление на нее практически совпадает с направлением на север, а ее высота над горизонтом равна географической широте места наблюдения. В южном полушарии подобной яркой полярной звезды нет.

В астрономии широко используется термин «прецессия», обозначающий явление, при котором момент импульса тела меняет свое направление в пространстве под действием момента внешней силы. Подобное движение совершает ось вращения Земли, причем полный цикл земной прецессии составляет около 26 000 лет.

Из-за прецессии земной оси положение Северного полюса мира постепенно меняется. Поэтому в разное время ближайшими к полюсу мира становятся разные звезды. Так, 5 000 лет назад такой звездой была альфа Дракона, в начале нашей эры ярких звезд у полюса мира вообще не было.

Через 2 000 лет ближайшей к полюсу Мира станет гамма Цефея, а через 12 000 лет — Вега (альфа Лиры). Что касается Полярной звезды, то ближе всего она подойдет к полюсу мира около 2100 года — на расстояние приблизительно 30'.

Интересный факт: предположительно, именно с прецессией связано периодическое изменение климата Земли.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/19_189594_nekotorie-svedeniya-o-dvizhenii-nebesnih-tel.html

Видимые движения небесных тел. План План : Введение Типы небесных тел Законы Каплера Гелиоцентрическая и геоцентрическая системы мира Элонгация Фазовый. — презентация

1 Видимые движения небесных тел

2 План План : Введение Типы небесных тел Законы Каплера Гелиоцентрическая и геоцентрическая системы мира Элонгация Фазовый угол планеты Стояние Конфигурации планет Сидерический и синодический период обращения планеты

3 Издавна люди наблюдали на небе такие явления как видимое вращение звездного неба, смена фаз Луны, восход и заход небесных светил, видимое движение Солнца по небу в течение дня, солнечные затмения, изменение высоты Солнца над горизонтом в течение года, лунные затмения. Было ясно, что все эти явления связаны, прежде всего, с движением небесных тел, характер которого люди пытались описать при помощи простых визуальных наблюдений, правильное понимание и объяснение которых складывалось веками.

4 Первые письменные упоминания о небесных телах возникли в древнем Египте и Шумере. Древние различали на небесном своде три типа тел: звёзды, планеты и «хвостатые звёзды».

Отличия происходят как раз из наблюдений: Звёзды сохраняют на протяжении достаточно долгого времени неподвижность относительно других звёзд. Поэтому считалось, что звёзды «закреплены» на небесной сфере.

Как нам сейчас известно, из-за вращения Земли каждая звезда «чертит» на небе «круг.

5 Планеты же, напротив, двигаются по небосводу, и их движение видно невооружённым глазом в течение часа–двух. Ещё в Шумере были найдены и отождествлены 5 планет: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн. К ним до кучи были добавлены Солнце и Луна. Итого: 7 планет. «Хвостатые» звёзды кометы. Появлялись нечасто, символизировали беды.

6 Законы Кеплера I.Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. II.(закон равных площадей). Радиус-вектор планеты за равные промежутки времени описывает равновеликие площади. III.

Квадраты периодов обращений планет вокруг Солнца пропорциональны кубам больших полуосей их эллиптических орбит. Три закона движения планет относительно Солнца были выведены эмпирически немецким астрономом Иоганном Кеплером в начале XVII века.

Это стало возможным благодаря многолетним наблюдениям датского астронома Тихо Браге.

7 Наиболее просто видимое движение планет и Солнца описывается в системе отсчета, связанной с Солнцем.

Такой подход получил название гелиоцентрической системы мира и был предложен польским астрономом Николаем Коперником ( ).

В античные времена и вплоть до Коперника полагали, что в центре Вселенной расположена Земля и все небесные тела обращаются по сложным траекториям вокруг нее. Эта система мира называется геоцентрической системой мира.

8 После признания революционной гелиоцентрической системы мира Коперника, после того как Кеплер сформулировал три закона движения небесных тел и разрушил многовековые наивные представления о простом круговом движении планет вокруг Земли, доказал расчетами и наблюдениями, что орбиты движения небесных тел могут быть только эллиптическими, стало наконец ясно, что видимое движение планет складывается из: перемещения наблюдателя по поверхности Земли вращения Земли вокруг Солнца собственных движений небесных тел

9 Сложное видимое движение планет на небесной сфере обусловлено обращением планет Солнечной системы вокруг Солнца. Само слово » планета » в переводе с древнегреческого означает » блуждающая » или » бродяга «. Траектория движения небесного тела называется его орбитой.

Скорости движения планет по орбитам убывают с удалением планет от Солнца. Характер движения планеты зависит от того, к какой группе она принадлежит.

Поэтому по отношению к орбите и условиям видимости с Земли планеты разделяются на внутренние (Меркурий, Венера) и внешние (Марс, Сатурн, Юпитер, Уран, Нептун, Плутон), или соответственно, по отношению к Земной орбите, на нижние и верхние.

10 Внешние планеты всегда повернуты к Земле стороной, освещаемой Солнцем. Внутренние планеты меняют свои фазы подобно Луне. Наибольшее угловое удаление планеты от Солнца называется элонгацией. Наибольшая элонгация у Меркурия — 28°, у Венеры — 48°.

При восточной элонгации внутренняя планета видна на западе, в лучах вечерней зари, вскоре после захода Солнца. Вечерняя (восточная) элонгация Меркурия При западной элонгации внутренняя планета видна на востоке, в лучах утренней зари, незадолго до восхода Солнца.

Внешние же планеты могут находиться на любом угловом расстоянии от Солнца.

11 Фазовым углом планеты называют угол между лучом света, падающим от Солнца на планету, и лучом, отразившимся от нее в сторону наблюдателя. Фазовые углы Меркурия и Венеры изменяются в пределах от 0° до 180°, поэтому Меркурий и Венера сменяют фазы так же, как и Луна.

Около нижнего соединения обе планеты имеют наибольшие угловые размеры, но выглядят, как узкие серпы. При фазовом угле ψ = 90°, освещается половина диска планет, фаза φ = 0,5. В верхнем соединении нижние планеты освещены полностью, но плохо видны с Земли, так как находятся за Солнцем.

12 Поскольку при наблюдениях с Земли на движение планет вокруг Солнца накладывается еще и движение Земли по своей орбите, планеты перемещаются по небосводу то с востока на запад (прямое движение), то с запада на восток (попятное движение). Моменты смены направления называются стояниями.

Если нанести этот путь на карту, получится петля. Размеры петли тем меньше, чем больше расстояние между планетой и Землей. Планеты описывают петли, а не просто движутся туда-сюда по одной линии исключительно из-за того, что плоскости их орбит не совпадают с плоскостью эклиптики.

Такой сложный петлеобразный характер был впервые замечен и описан на примере видимого движения Венеры

13 Известен факт, что движение определенных планет можно наблюдать с Земли в строго определенное время года, это связано с их положением с течением времени на звездном небе.

Характерные взаимные расположения планет относительно Солнца и Земли называются конфигурациями планет.

Конфигурации внутренних и внешних планет различны: у нижних планет это соединения и элонгации (наибольшее угловое отклонение орбиты планеты от орбиты Солнца), у верхних планет это квадратуры, соединения и противостояния.

14 Поговорим конкретнее о каждом из видов конфигураций: конфигурации при которых внутренняя планета, Земля и Солнце выстраиваются по одной линии, называются соединениями.

15 Если T – Земля, P 1 – внутренняя планета, S – Солнце, небесное соединение называется нижним соединением. В «идеальном» нижнем соединении происходит прохождение Меркурия или Венеры по диску Солнца.

Если T – Земля, S – Солнце, P 1 – Меркурии или Венера, явление называется верхним соединением. В «идеальном» случае происходит покрытие Солнцем планеты, которое, конечно, не может наблюдаться из-за несравнимой разницы в блеске светил.

Для системы Земля – Луна – Солнце в нижнем соединении происходит новолуние, а в верхнем – полнолуние.

16 В своём движении по небесной сфере Меркурий и Венера никогда не уходят далеко от Солнца (Меркурий не дальше 18° 28°; Венера не дальше 45° 48°) и могут находиться либо к востоку, либо к западу от него. Момент наибольшего углового удаления планеты к востоку от Солнца называется восточной или вечерней элонгацией; к западу западной или утренней элонгацией.

17 Конфигурация, в которой Земля, Солнце и планета (Луна) образуют в пространстве треугольник, называется квадратурой: восточной при расположении планеты на 90° к востоку от солнца и западной при расположении планеты в 90° к западу от Солнца.

18 Введем понятия конкретных физических величин, характеризующих движение планет и позволяющих произвести некоторые расчеты: Сидерическим (звездным) периодом обращения планеты называется промежуток времени Т, за который планета совершает один полный оборот вокруг Солнца по отношению к звездам. Синодическим периодом обращения планеты называется промежуток времени S между двумя последовательными одноименными конфигурациями.

19 Используемая литература: Используемая литература: 1)Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев. Физика.11 класс : учеб. для общеобразоват. учреждений 2)Интернет-ресурсы: planet/ page1.html

20 Презентацию выполнила Снигур Анастасия.

Источник: http://www.myshared.ru/slide/527773

Ссылка на основную публикацию