Почему луна не падает на землю рассуждение. Министерство образования Российской Федерации. Почему Луна не падает на Солнце

Луна, естественный спутник Земли, в процессе своего движения в пространстве испытывает влияние главным образом двух тел - Земли и Солнца. При этом солнечное притяжение в два раза сильнее земного. Поэтому оба тела (Земля и Луна) вращаются вокруг Солнца, находясь поблизости друг от друга.

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 кмПлоскость 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.

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.

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.

Министерство образования Российской Федерации

МОУ «СОШ с. Солодники».

Реферат

на тему:

Почему Луна не падает на Землю?

Выполнил: Ученик 9 Кл,

Феклистов Андрей.

Проверил:

Михайлова Е.А.

С. Солодники 2006

1. Введение

2. Закон всемирного тяготения

3. Можно ли силу, с которой Земля притягивает Луну, назвать весом Луны?

4. Есть ли центробежная сила в сис­теме Земля-Луна, на что она дейст­вует?

5. Вокруг чего обращается Луна?

6. Могут Земля и Луна столкнуться? Их ор­биты вокруг Солнца пересека­ются, и даже не один раз

7. Заключение

8. Литература

Введение

Звездное небо во все времена занимало воображение людей. Почему зажигаются звезды? Сколько их сияет в ночи? Далеко ли они от нас? Есть ли границы у звезд­ной Вселенной? С глу­бокой древности человек задумывался над этими и многими другими вопросами, стремился по­нять, и осмыслить устройство того большого мира, в котором мы живем. При этом открылась широчайшая область для исследо­вания Вселенной, где силы тяготения играют решающую роль.

Среди всех сил, которые существуют в природе, сила тяготения отличается, пре­жде всего, тем, что проявляется повсюду. Все тела обладают массой, которая опре­де­ляется как отношение силы, приложенной к телу, к ускорению, которое приобре­тает под действием этой силы тело. Сила притяжения, действующая между лю­быми двумя телами, зависит от масс обоих тел; она пропорциональна произведе­нию масс рассматриваемых тел. Кроме того, сила тяготения характеризуется тем, что она подчиняется закону обратно-пропорциональ­но квадрату расстояния. Другие силы могут зависеть от расстояния совсем иначе; известно немало таких сил.

Все весомые тела взаимно испытывают тяготение, эта сила обуславливает дви­же­ние планет вокруг солнца и спутников вокруг планет. Теория гравитации - тео­рия созданная Ньютоном, стояла у колыбели современной науки. Другая теория грави­тации, разработанная Эйнштейном, является величайшим достижением тео­ретиче­ской физики 20 века. В течение столетий развития человечества люди на­блюдали явление взаим­ного притяжения тел и измеряли его величину; они пыта­лись поста­вить это явление себе на службу, превзойти его влияние, и, наконец, уже в самое последнее время рассчи­тывать его с чрезвычайной точностью во время первых ша­гов вглубь Вселенной

Широко известен рассказ о том, что на открытие закона всемирного тяготения Ньютона навело падения яблока с дерева. Насколько достоверен этот рассказ, не знаем, но остается фактом, что вопрос: «почему луна не падает на землю?», инте­ресовал Ньютона и привел его к откры­тию закона всемирного тяготения. Силы всемирного тяготения иначе называют гравитационными.

Закон всемирного тяготения

Заслуга Ньютона заключается не только в его гениальной догадке о взаимном притяжении тел, но и в том, что он сумел найти закон их взаимодействия, то есть формулу для расчета гравитационной силы между двумя телами.

Закон всемирного тяготения гласит: два любых тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной массе каждого из них и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними

Ньютон рассчитал ускорение, сообщаемое Луне Землей. Ускорение свободно па­дающих тел у поверхности земли равно 9,8 м/с 2 . Луна удалена от Земли на рас­стояние, равное примерно 60 земным радиусам. Следо­вательно, рас­суждал Нью­тон, ус­корение на этом расстояние будет: . Луна, па­дая с таким ускорением, должна бы приблизиться к Земле за первую секунду на 0,27/2=0,13 см

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 (рис. 1). Двигаясь по инер­ции, Луна должна удалиться от Земли, как показы­вает расчет, 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, мы не наблюдаем. Оба движения не­пре­рывно складываются. Луна движется по кривой линии, близкой к окружно­сти.

Рассмотрим опыт, из которого видно, как сила притяжения, действующая на тело под пря­мым углом к направлению дви­жения по инерции, превращает пря­молинейное движение в криволинейное (рис. 2). Шарик, скатившись с наклон­ного жело­ба, по инерции продолжает дви­гаться по прямой линии. Если же сбоку положить магнит, то под действием силы притяжения к магниту траек­тория шарика искривляется.

Как ни стараться, нельзя бросить пробковый шарик так, чтобы он описывал в воздухе окружности, но, привязав к не­му нитку, можно заставить ша­рик вра­щаться по окружности вокруг руки. Опыт (рис. 3): грузик, подвешенный к нитке, проходящей через стеклянную трубочку, натягивает нить. Сила натяже­ния нити вызывает центростремительное ускорение, которое характеризует из­менение линей­ной скорости по направлению.

Луна обращается вокруг Земли, удер­живаемая силой притяжения. Стальной канат, который заменил бы эту силу, дол­жен иметь диаметр около 600 км. Но, не­смотря на такую огромную силу притяже­ния, Луна не падает на Землю, по­тому что имеет начальную скорость и, кроме того, движется по инерции.

Зная расстояние от Земли до Луны и число оборотов Луны вокруг Земли, Нью­тон определил величину центростремительного ускорения Луны.

Получилось то же число - 0,0027 м/с 2

Прекратись действие силы притяжения Луны к Земле - и она по прямой ли­нии умчится в бездну космического простран­ства. Улетит по касательной ша­рик (рис. 3), если разорвется нить, удерживающая шарик при вращении по ок­ружности. В приборе на рис.4, на центробежной машине только связь (нитка) удерживает шарики на круговой орбите. При раз­рыве нити шарики разбега­ются по касательным. Глазом труд­но уловить их прямо­линейное движение, когда они лишены свя­зи, но если мы сделаем такой чер­теж (рис. 5), то из него сле­дует, что шарики будут двигаться прямолинейно, по касательной к окруж­ности.

Прекратись движение по инерции - и Луна упала бы на Землю. Падение продолжалось бы четверо суток девятнадцать часов пятьдесят четыре минуты пятьдесят семь секунд - так рассчитал Ньютон.

Используя формулу закона всемирного тяготения, можно определить с ка­кой силой Земля притягивает Луну: где G -гравитационная посто­янная, т 1 и m 2 - массы Земли и Луны, r - расстояние между ними. Подставив в формулу конкретные данные, получим значение силы, с которой Земля притя­гивает Луну и она равна приблизительно 2 10 17 Н

Закон всемирного тяготения применим ко всем те­лам, значит, и Солнце тоже притягивает Луну. Давайте посчитаем с какой силой?

Масса Солнца в 300 000 раз больше массы Земли, но расстояние ме­жду Солнцем и Луной больше расстояния между Землей и Луной в 400 раз. Сле­довательно, в формуле числитель увеличится в 300 000 раз, а зна­менатель - в 400 2 , или 160 000 раз. Сила тяготения получится почти в два раза больше.

Но почему же Луна не падает на Солнце?

Луна падает на Солнце так же, как и на Землю, т. е. лишь настолько, чтобы оставаться примерно на одном расстоя­нии, обращаясь вокруг Солнца.

Вокруг Солнца обращается Земля вместе со своим спутником - Луной, зна­чит, и Луна обращается вокруг Солнца.

Возникает такой вопрос: Луна не падает на Землю, потому что, имея на­чальную скорость, движется по инерции. Но по третьему закону Ньютона силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по величине и противопо­ложно направ­лены. Поэтому, с какой силой Земля притягивает к себе Луну, с такой же си­лой Луна притягивает Землю. Почему же Земля не падает на Луну? Или она тоже обращается вокруг Луны?

Дело в том, что и Луна, и Земля обращаются во­круг общего цен­тра масс, или, упрощая, можно сказать, вокруг общего центра тяжести. Вспом­ните опыт с ша­риками и центро­бежной машиной. Масса одного из шариков в два раза больше массы другого. Чтобы шарики, связанные ниткой, при вращ­е­нии остава­лись в равновесии относительно оси вращения, их расстоя­ния от оси, или центра вра­щения, должны быть обратно пропор­циональны массам. Точка, или центр, во­круг которого обраща­ются эти шарики, называется цен­тром масс двух ша­ри­ков.

Третий закон Ньютона в опыте с шариками не нарушается: силы, с кото­рыми шарики тянут друг друга к общему центру масс, равны. В системе Земля - Луна общий центр масс обра­щается вокруг Солнца.

Можно ли силу, с которой Земля притягивает Лу­ ну, назвать ве­сом Луны?

Нет, нельзя. Ве­сом тела мы назы­ваем вызванную притяжением Земли силу, с которой тело давит на какую-ни­будь опору: чашку весов, напри­мер, или растя­гивает пружину динамометра. Если подложить под Луну (со стороны, обра­щенной к Земле) подставку, то Луна на нее не будет давить. Не будет Луна рас­тягивать и пружину динамо­метра, если бы смогли ее подвесить. Все действие силы притяжения Луны Зем­лей выражается лишь в удержании Луны на ор­бите, в сообщении ей центро­стремительного ускорения. Про Луну можно сказать, что по отношению к Земле она неве­сома так же, как невесомы пред­меты в космическом корабле-спутнике, когда прекращается работа двигателя и на корабль действует только сила притяжения к Земле, но эту силу нельзя назы­вать весом. Все предметы, выпускаемые космонавтами из рук (авторучка, блокнот), не падают, а сво­бодно парят внутри кабины. Все тела, находящиеся на Луне, по отношению к Луне, конечно, весомы и упадут на ее поверхность, если не будут чем-нибудь удержи­ваться, но по от­ношению к Земле эти тела бу­дут невесомы и упасть на Землю не могут.

Есть ли центробежная сила в сис­теме Земля - Луна, на что она дейст­вует?

В системе Земля - Луна силы взаимного притяже­ния Земли и Луны равны и противоположно направлены, а именно к центру масс. Обе эти силы центрост­ремительные. Центробежной силы здесь нет.

Расстояние от Земли до Луны равно примерно 384 000 км. От­ношение массы Луны к массе Земли равно 1/81. Следовательно, расстояния от центра масс до центров Луны и Земли будут обратно пропорциональны этим числам. Разделив 384 000 км на 81, получим примерно 4 700 км. Значит, центр масс находится на расстоянии 4 700 км от центра Земли.

Радиус Земли равен 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.

Легче улететь с Земли на Луну или с Луны на Землю, т.к. известно, для того чтобы ракета стала искусствен­ным спутником Земли, ей надо сообщить начальную скорость ≈ 8 км/сек . Чтобы ракета вышла из сферы притяжения Земли, нужна так называемая вторая космическая скорость, равная 11,2 км/сек. Для запуска ракет с Луны нужна меньшая скорость т.к. сила тяже­сти на Луне в шесть раз меньше, чем на Земле.

Тела внутри ракеты становятся невесомыми с того момента, ко­гда прекра­щают работу двигатели и ракета будет свободно лететь по орбите во­круг Земли, находясь при этом в поле тяготения Земли. При свободном по­лете вокруг Земли и спутник, и все предметы в нем относительно центра массы Земли движутся с одинаковым центростремительным ускорением и по­тому не­весомы.

Как двигались не связанные ниткой шарики на центробежной машине: по ра­диусу или по касательной к окруж­ности? Ответ зависит от выбора системы от­счета, т. е. относитель­но какого тела отсчета мы будем рассматривать движение шари­ков. Если за систему отсчета принять поверхность стола, то шарики двигались по касательным к описываемым ими окруж­ностям. Если же принять за систему отсчета сам вращающийся прибор, то шарики двигались по радиусу. Без указания системы отсчета вопрос о движении вообще не имеет смысла. Дви­гаться - значит перемещаться относительно других тел, и мы должны обя­за­тельно указать, относительно каких именно.

Вокруг чего обращается Луна?

Если рассмат­ривать движение относительно Земли, то Луна обращается во­круг Земли. Если же за тело от­счета принять Солнце, то - вокруг Солнца.

Могут Земля и Луна столкнуться? Их ор­ биты вокруг Солнца пересека­ются, и даже не один раз .

Конечно, нет. Столк­новение возможно только в том слу­чае, если бы орбита Луны относитель­но Земли пересекала Землю. При по­ложении же Земли или Луны в пункте пересечения пока­занных орбит (отно­сительно Солнца) расстоя­ние между Землей и Луной в среднем равно 380 000 км. Чтобы лучше в этом ра­зобраться, давайте начертим сле­дующею. Орбиту Земли изо­бра­зил в виде дуги окружности ра­диусом 15см (расстояние от Зем­ли до Солнца, как известно, равно 150 000 000 км). На дуге, равной части окружности (месячный путь Земли), отметил на рав­ных расстояниях пять то­чек, считая и крайние. Эти точки будут центрами лун­ных орбит относительно Земли в последовательные четверти месяца. Радиус лунных орбит нель­зя изобразить в том же масштабе, в каком вычерчена ор­бита Земли, так как он будет слиш­ком мал. Чтобы начертить лунные орбиты, надо выбранный масштаб увеличить примерно в десять раз, тогда радиус лун­ной орбиты составит около 4 мм. После этого ука­зал на каждой орбите положение Луны, начав с полнолуния, и со­единил от­меченные точки плавной пунктирной линией.

Главной задачей было разделить тела отсчета. В опыте с центробеж­ной маши­ной оба тела отсчета одновременно проеци­руются на плоскость стола, по­этому очень трудно сосредоточить внимание на одном из них. Мы решили свою задачу так. Линейка из плотной бумаги (ее можно заменить полоской жести, плекси­гласа и т. п.) будет служить стержнем, по которому скользит кар­тонный кружок, напоминающий шарик. Кружок двой­ной, склеенный по ок­ружности, но с двух диаметрально противо­положных сторон оставлены про­рези, через кото­рые продета линейка. Вдоль оси линейки сделаны отверстия. Телами отсчета служат линейка и лист чистой бумаги, который мы кнопками прикрепили к листу фанеры, чтобы не портить стола. Насадив линейку на бу­лавку, как на ось, воткнули булавку в фанеру (рис.6). При повороте линейки на равные углы последовательно расположенные отверстия оказывались на од­ной прямой линии. Но при повороте линейки вдоль нее скользил картонный кружок, после­довательные положения которого и требовалось отмечать на бу­маге. Для этой цели в центре кружка тоже сделали отверстие.

При каждом повороте линейки остри­ем карандаша отмечали на бумаге по­ложение центра кружка. Когда линей­ка прошла через все заранее намечен­ные для нее положе­ния, линейку сня­ли. Соединив метки на бумаге, убе­дились, что центр кружка переме­щал­ся относительно второго тела отсчета по прямой линии, а точнее по каса­тельной к начальной окружности.

Но во время работы над прибором я сделал несколько интересных открытий. Во-первых, при равномер­ном вращении стержня (линейки) ша­рик (кружок) пере­мещается по нему не равномерно, а ускоренно. По инер­ции тело должно дви­гаться равно­мерно и прямолинейно - это закон природы. Но двигался ли наш шарик только по инерции, т. е. свободно? Нет! Его подталкивал стержень и со­общал ему ускорение. Это всем будет понятно, если обратиться к чертежу (рис. 7). На горизонтальной ли­нии (касательной) точками 0, 1, 2, 3, 4 отмечены положения шарика, ес­ли бы он двигался совсем свобод­но. Соответствующие по­ложения ради­усов с теми же цифровыми обозначе­ниями показывают, что шарик движется ускоренно. Ускорение шарику сообщает упругая сила стержня. Кроме того, трение между шариком и стержнем оказывает сопротивление движению. Если допустить, что сила трения равна силе, которая сообщает шарику ускорение, движение шарика по стержню должно быль равномерным. Как видно из рисунка 8, движе­ние шарика относительно бумаги на столе криволинейное. На уроках чер­че­ния нам говорили, что такая кри­вая называется «спиралью Архимеда». По та­кой кривой вычерчивают профиль кулачков в некоторых механизмах, когда хотят равномерное вращательное движение превратить в равномерное поступа­тельное движение. Если приставить друг к другу две такие кривые, то кулачок по­лучит сердцевидную форму. При равномерном вращении детали такой формы упи­рающийся в нее стержень будет совершать поступательно-возвратное движение. Я сделал модель такого кулачка (рис. 9) и модель механизма для равномерной на­мотки ниток на катушку (рис. 10).

Я никаких открытий при вы­полнении задания не сделал. Но я многому научился, пока составлял эту диа­грамму (рис. 11). Надо было правильно определить положение Луны в ее фазах, поду­мать о направлении движения Луны и Земли по их орбитам. В чертеже есть неточ­ности. О них я сейчас скажу. При выбранном масштабе неправильно изображена кри­визна лунной орбиты. Она должна быть все время вогнута по отношению к Солнцу, т. е. центр кривизны должен находиться внутри орбиты. Кроме того, в году не 12 лунных месяцев, а больше. Но одну двенадцатую часть окружности легко постро­ить, поэтому я условно принял, что в году 12 лунных месяцев. И, наконец, вокруг Солнца обращается не сама Земля, а общий центр масс системы Земля - Луна.

Заключение

Одним из ярких примеров достижений науки, одним из свидетельств неограниченной познаваемости природы было открытие планеты Нептун путем вычислений -«на кончике пера».

Уран - планета, следующая за Сатурном, который много ве­ков считался самой далекой из планет, была открыта В. Гершелем в конце XVIII в. Уран с трудом виден невооруженным гла­зом. К 40-м годам XIX в. точные наблюдения показали, что Уран едва заметно уклоняется от того пути, по которому он должен следовать" с учетом возмущений со стороны всех известных пла­нет. Таким образом, теория движения небесных тел, столь стро­гая и точная, подверглась испытанию.

Леверье (во Франции) и Адаме (в Англии) высказали пред­положение, что, если возмущения со стороны известных планет не объясняют отклонение в движении Урана, значит, на него дей­ствует притяжение еще неизвестного тела. Они почти одновре­менно рассчитали, где за Ураном должно быть неизвестное тело, произво­дящее своим притяжением эти отклонения. Они вычисли­ли орбиту неизвестной планеты, ее массу и указали место на не­бе, где в данное время должна была на­ходиться неведомая пла­нета. Эта планета и была найдена в телескоп на указан­ном ими месте в 1846 г. Ее назвали Нептуном. Нептун не виден невоору­женным глазом. Так, разногласие между теорией и практикой, казалось, подрывавшее авто­ритет материалистической науки, при­вело к ее триумфу.

Список литературы:

1. М.И. Блудов – Беседы по физике, часть первая, второе издание, переработанное, Москва «Просвещение» 1972.

2. Б.А. Воронцов-вельямов – Астрономия!1 класс, издание 19-ое, Москва «Просвещение» 1991.

3. А.А. Леонович – Я познаю мир, Физика, Москва АСТ 1998.

4. А.В. Перышкин, Е.М. Гутник – Физика 9 класс, Издательский дом «Дрофа» 1999.

5. Я.И. Перельман – Занимательная физика, книга 2, Издание 19-ое, издательство «Наука», Москва 1976.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Ученик . Широко известен рассказ о том, что на открытие закона всемирного тяготения Ньютона навело падение яблока с дерева. Насколько достоверен этот рассказ, мы не знаем, но остается фактом, что вопрос, который мы собрались сегодня обсудить: «Почему Луна не падает на Землю?», интересовал Ньютона и привел его к открытию закона тяготения. Ньютон утверждал, что между Землей и всеми материальными телами существует сила тяготения, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния.

Ньютон рассчитал ускорение, сообщаемое Луне Землей. Ускорение свободно падающих тел у поверхности Земли равно g=9,8 м/с 2 . Луна удалена от Земли на расстояние, равное примерно 60 земным радиусам. Следовательно, рассуждал Ньютон, ускорение на этом расстоянии будет: . 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 (рис. 25).

Двигаясь по инерции, Луна должна удалиться от Земли, как показывает расчет, 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.

Проведем опыт, из которого видно, как сила притяжения, действующая на тело под прямым углом к направлению его движения, превращает прямолинейное движение в криволинейное. Шарик, скатившись с наклонного желоба, по инерции продолжает двигаться по прямой линии. Если же сбоку положить магнит, то под действием силы притяжения к магниту траектория шарика искривляется (рис. 26).

Луна обращается вокруг Земли, удерживаемая силой притяжения. Стальной канат, который мог бы удержать Луну на орбите, должен был бы иметь диаметр около 600 км. Но, несмотря на такую огромную силу притяжения, Луна не падает на Землю, потому что, имея начальную скорость, движется по инерции.

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.
Прекратись действие силы притяжения Луны к Земле – и Луна по прямой линии умчится в бездну космического пространства. Так в устройстве, показанном на рисунке 27, улетит по касательной шарик, если разорвется нить, удерживающая шарик на окружности. В известном вам приборе на центробежной машине (рис. 28) только связь (нитка) удерживает шарики на круговой орбите.

При разрыве нити шарики разбегаются по касательным. Глазом трудно уловить их прямолинейное движение, когда они лишены связи, но если мы сделаем чертеж (рис. 29), то будет видно, что шарики двигаются прямолинейно, по касательной к окружности.

Прекратись движение по инерции – и Луна упала бы на Землю. Падение продолжалось бы четверо суток девятнадцать часов пятьдесят четыре минуты пятьдесят семь секунд, так рассчитал Ньютон.

Учитель , присутствующий на занятии кружка. Доклад окончен. У кого есть вопросы?

Вопрос . С какой силой Земля притягивает Луну?

Ученик . Это можно определить по формуле, выражающей закон тяготения: , где G – гравитационная постоянная, M и m – массы Земли и Луны, r – расстояние между ними. Я ожидал этого вопроса и сделал вычисление заранее. Земля притягивает Луну с силой около 2 * 10 20 Н.

Вопрос . Закон всемирного тяготения применим ко всем телам, значит, и Солнце тоже притягивает Луну. Интересно, с какой силой?

Ответ . Масса Солнца в 300000 раз больше массы Земли, но расстояние между Солнцем и Луной больше расстояния между Землей и Луной в 400 раз. Следовательно, в формуле числитель увеличится в 300000 раз, а знаменатель – в 400 2 , или 160000 раз. Сила тяготения получится почти в два раза больше.

Вопрос . Почему же Луна не падает на Солнце?

Ответ . Луна падает на Солнце так же, как и на Землю, т. е. лишь на столько, чтобы оставаться примерно на одном расстоянии, обращаясь вокруг Солнца.

– Вокруг Земли!

– Неверно, не вокруг Земли, а вокруг Солнца. Вокруг Солнца обращается Земля вместе со своим спутником – Луной, значит, и Луна обращается вокруг Солнца.

Вопрос . Луна не падает на Землю, потому что, имея начальную скорость, движется по инерции. Но по третьему закону Ньютона силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположно направлены. Поэтому, с какой силой Земля притягивает к себе Луну, с такой же силой Луна притягивает Землю. Почему же Земля не падает на Луну? Или она обращается вокруг Луны?

Учитель . Дело в том, что и Луна, и Земля обращаются вокруг общего центра масс. Вспомните опыт с шариками и центробежной машиной. Масса одного из шариков в два раза больше массы другого. Чтобы шарики, связанные ниткой, при вращении оставались в равновесии относительно оси вращения, их расстояния от оси, или центра вращения, должны быть обратно пропорциональны массам. Точка, вокруг которой обращаются эти шарики, называется центром масс двух шариков.

Третий закон Ньютона в опыте с шариками не нару|лается: силы, с которыми шарики тянут друг друга к общему центру масс, равны. Общий центр масс Земли и Луны обращается вокруг Солнца.

Вопрос . Можно ли силу, с которой Земля притягивает Луну, назвать весом Луны?

Ученик . Нет, нельзя! Весом тела мы называем вызванную притяжением Земли силу, с которой тело давит на какую-нибудь опору, чашку весов например, или растягивает пружину динамометра. Если подложить под Луну (со стороны, обращенной к Земле) подставку, то Луна на нее не будет давить. Не будет Луна растягивать и пружину динамометра, если бы мы смогли ее подвесить. Все действие силы притяжения Луны Землей выражается лишь в удержании Луны на орбите, в сообщении ей центростремительного ускорения. Про Луну можно сказать, что по отношению к Земле она невесома так же, как невесомы предметы в космическом корабле-спутнике, когда прекращается работа двигателя и на корабль действует только сила притяжения к Земле.

Вопрос . Где находится центр масс системы Земля – Луна?

Ответ . Расстояние от Земли до Луны составляет 384000 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 384000 км на 82, 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 (рис. 30, точка O). Поэтому, если не гнаться за точностью, можно говорить об обращении Луны вокруг Земли.

Вопрос . Что легче: улететь с Земли на Луну или с Луны на Землю?

Ответ . Чтобы ракета стала искусственным спутником Земли, ей надо сообщить начальную скорость, приблизительно равную 8 км/с. Чтобы ракета вышла из сферы притяжения Земли, нужна так называемая вторая космическая скорость, равная 11,2 км/с. Для запуска ракет с Луны нужна меньшая скорость: ведь сила тяжести на Луне в шесть раз меньше, чем на Земле.

Вопрос . Я плохо понимаю, почему внутри ракеты тела не имеют веса. Может быть, это только в той точке на пути к Луне, в которой сила притяжения к Луне уравновешивается силой притяжения к Земле?

Учитель . Нет. Тела внутри ракеты становятся невесомыми с того момента, когда прекращают работу двигатели и ракета начинает свободный полет по орбите вокруг Земли, находясь при этом в поле тяготения Земли. При свободном полете вокруг Земли и спутник, и все предметы в нем относительно центра массы Земли движутся с одинаковым центростремительным ускорением и потому невесомы.

1-й вопрос . Как двигались не связанные ниткой шарики на центробежной машине: по радиусу или по касательной к окружности?

Ответ зависит от выбора системы отсчета, т. е. от выбора того тела, относительно которого мы рассматриваем движение шариков. Если за систему отсчета принять поверхность стола, то шарики двигались по касательным к описываемым ими окружностям. Если же принять за систему отсчета сам вращающийся прибор, то шарики двигались по радиусу. Без указания системы отсчета вопрос о характере движения не имеет смысла. Двигаться – значит перемещаться относительно других тел, и мы должны обязательно указывать, относительно каких именно.

2-й вопрос . Вокруг чего обращается Луна?

Если рассматривать движение относительно Земли, то Луна обращается вокруг Земли. Если же за тело отсчета принять Солнце, то – вокруг Солнца. Поясню сказанное рисунком из книги «Занимательная астрономия» Перельмана (рис. 31). Скажите, относительно какого тела показано здесь движение небесных тел.

– Относительно Солнца.

– Верно. Но нетрудно заметить, что Луна все время меняет свое положение и относительно Земли.

Учитель . Конечно, не могут. При положении Земли или Луны (заметьте, я говорю «или», а не «и») в пункте пересечения показанных орбит расстояние между Землей и Луной составляет 380000 км. Чтобы лучше в этом разобраться, начертите к следующему занятию диаграмму этого сложного движения. Орбиту Земли изобразите в виде дуги окружности радиусом 15 см (расстояние от Земли до Солнца, как известно, равно 150000000 км). На дуге, равной 1/12 части окружности (месячный путь Земли), отметьте на равных расстояниях пять точек, считая и крайние. Эти точки будут центрами лунных орбит относительно Земли в последовательные четверти месяца. Радиус лунных орбит нельзя изобразить в том же масштабе, в каком вычерчена орбита Земли, так как он будет слишком мал. Чтобы начертить лунные орбиты, надо выбранный масштаб увеличить примерно в десять раз, тогда радиус лунной орбиты составит около 4 мм. Укажите на каждой орбите положение Луны, начав с полнолуния, и соедините отмеченные точки плавной пунктирной линией.

На следующем занятии кружка одна из учениц показала требуемую диаграмму (рис. 32).

Рассказ ученицы, чертившей диаграмму: «Я многому научилась, пока рисовала эту диаграмму. Надо было правильно определить положение Луны в ее фазах, подумать о направлении движения Луны и Земли по их орбитам. В чертеже есть неточности. О них я сейчас скажу. При выбранном масштабе неправильно изображена кривизна лунной орбиты. Она должна быть все время вогнута по отношению к Солнцу, т. е. центр кривизны должен находиться внутри орбиты. Кроме того, в году не 12 лунных месяцев, а больше. Но одну двенадцатую часть окружности легко построить, поэтому я условно приняла, что в году 12 лунных месяцев. И наконец, вокруг Солнца обращается не сама Земля, а общий центр масс системы Земля – Луна».