Не падая на землю. Почему Земля не падает на Солнце? Расчет гравитационной силы между Землей и Солнцем
Закон всемирного тяготения говорит нам о том, что все тела находятся между собой в гравитационном взаимодействии, то есть взаимно притягиваются друг к другу. Причем сила, с которой одно тело притягивает к себе другое, прямо пропорциональна массе этого тела. Если массы тел несопоставимы друг с другом, и одно тело в сотни или тысячи раз тяжелее другого, то более тяжелое тело полностью притянет к себе легкое.
Каждый день мы видим, как какой-нибудь предмет падает на землю. Это планета Земля как физическое тело притягивает к себе вещь, потерявшую опору.
Но ведь Земля и сама находится вблизи от еще более тяжелого небесного тела - Солнца. Масса Солнца в 333 000 больше массы Земли, так почему Земля не падает на Солнце?
Все дело в том, что сила, с которой Земля притягивается к Солнцу, уравновешивается центробежной силой, действующей на Землю при ее движении по окружности вокруг Солнца.
Что такое центробежная сила
Центробежная сила - это сила, которая воздействует на тела при их вращательном движении по окружности. При этом вращающееся тело стремится улететь от центра этой окружности с постоянным ускорением. Центробежное ускорение зависит от скорости вращения тела. Чем выше скорость, тем больше ускорение.
Показательный пример. Возьмем шарик, подвешенный на веревочке. В спокойном состоянии шарик под воздействием гравитационной силы Земли висит на веревке в направлении вертикально вниз. Это на него действует сила притяжения Земли. Полностью упасть на землю ему не дает только сила натяжения нити.
Если шарик раскрутить в горизонтальной плоскости с большой скоростью, на него начнет действовать центробежная сила. Шарик больше не будет висеть вертикально вниз, а станет вращаться в горизонтальной плоскости и как будто удаляться от центра вращения. Можно даже физически ощутить, как вращающийся шарик растягивает веревку. А удерживает шарик около центра вращения все та же сила натяжения нити. Если раскрутить шарик до такой скорости, что центробежная сила станет больше силы натяжения нити, то нить порвется, и шарик улетит по прямой, перпендикулярной радиусу его вращения. Но при этом вращаться дальше он не будет, центробежная сила исчезнет и, пролетев немного, шарик упадет на землю (сами понимаете, почему).
Центробежная сила вращения Земли
Аналогичное взаимодействие наблюдается и при движении Земли вокруг Солнца. Центробежная сила, действующая на Землю при ее вращении, удаляет ее от центра вращения (то есть от Солнца). Но если Земля прекратит вращаться вокруг Солнца и остановится, то Солнце притянет ее к себе.
С другой стороны, сила притяжения Солнца уравновешивает центробежную силу вращения Земли. Солнце притягивает Землю, Земля не может улететь от центра своего вращения и движется по постоянной орбите вокруг Солнца. Но если скорость вращения Земли многократно увеличится, и центробежная сила превысит силу притяжения Солнца, то Земля улетит в открытый космос и какое-то время будет лететь как комета, пока не попадет под притяжение другого тела с еще большей массой.
Земля имеет форму шара. Но если это так, то почему с ее поверхности не падают предметы, на ней находящиеся. Все происходит как раз наоборот. Подброшенный вверх камень возвращается назад, падают вниз снежинки и капли дождя, летит вниз опрокинутая со стола посуда. Всему виной земная гравитация, которая притягивает к земной поверхности все материальные тела.
Получается, что между всеми телами, в том числе и космическими, возникают силы притяжения. Если следовать логике, то меньшее тело, коим, например, является та же Луна, должно обязательно упасть на Землю. Аналогичную версию можно выдвинуть и по поводу нашей Солнечной системы. По идее, все входящие в нее планеты, должны были бы давно упасть на Солнце. Однако этого не происходит. Возникает вполне логичный вопрос, а почему?
Во- первых, все планеты Солнечной системы держаться около солнца, благодаря его огромной силы тяготения, и не падают на него только потому, что находятся в постоянном движении, которое происходит по эллиптической орбите. То же самое можно сказать и о Луне, которая также движется вокруг Земли, а поэтому на нее и не падает. Если бы не было сил тяготения, то не было бы и Солнечной системы. Земля свободно странствовала бы по космосу, оставаясь пустынной и безжизненной.
Аналогичная участь постигла бы и ее спутник, Луну. Она бы не кружилась вокруг Земли по эллиптической орбите, а давно бы выбрала для себя самостоятельный маршрут. Но, попав в зону действия земной гравитации, она вынуждена менять прямолинейную траекторию движения, на эллиптическую. Если бы не постоянное движение Луны, она давно бы упала на Землю. Получается, что до тех пор, пока планеты движутся вокруг Солнца, они на него упасть не могут. А все потому, что на них постоянно действуют две силы, сила тяготения и сила инерции движения. В результате все планеты движутся не по прямой, а по эллиптической орбите.
Собственно говоря, существующий порядок во Вселенной сохраняется только благодаря закону всемирного тяготения, который был открыт Исааком Ньютоном. Ему подчиняются все космические объекты, включая искусственные спутники Земли, запущенные человеком. Те же приливы и отливы, свидетелями которых мы являемся, также обусловлены действием взаимных сил тяготения Луны, Земли и Солнца. При этом действия Луны более выражены, так она находится намного ближе к Земле, нежели Солнце.
И все же, почему Земля не падает на Солнце, ведь ее масса, по сравнению с небесным светилом, в сотни тысяч раз меньше, и по логике, она должна к нему моментально прилипнуть? Это обязательно произошло бы, но только в том случае, если бы наша планета остановилась. Но так как она движется вокруг Солнца со скоростью 30 километров в одну секунду, то этого и не происходит. Улететь от него она также не может, ввиду огромных сил солнечного притяжения. В результате, прямолинейное движение Земли постепенно искривляется, и переходит в эллиптическое. Аналогично движутся и другие планеты Солнечной системы.
Столь высокие скорости вращения планет ученые связали с особенностью образования Солнечной системы. По их мнению, она возникла из быстро вращающегося космического облака, которое подверглось гравитационному сжатию к центру, из которого, впоследствии, и возникло Солнце. Само же облако имело как угловую, так и поступательную скорости. После сжатия, их значение увеличилось, и затем было передано образовавшимся планетам. Поступательно движутся не только планеты Солнечной системы, но и она сама, причем, со скоростью 20 км/час. Траектория этого движения направлена в сторону созвездия «Геркулес».
Что явилось причиной вращения и поступательного движения самого пылевого облака?
Ученые сходятся во мнении, что так ведет себя вся Галактика. При этом все объекты, расположенные ближе к ее центру, вращаются с большей скоростью, а те, что дальше- с меньшей. Возникшая разность сил разворачивает Галактику, чем и обусловлено сложное движение входящих в нее газовых комплексов. Кроме того, на траекторию их движения оказывают влияние галактические магнитные поля, взрывы звезд и звездный ветер.
Гравитация - самая таинственная сила во Вселенной. Ученые до сих пор не знают ее природы. Но именно гравитация удерживает на орбитах планеты Солнечной системы. Не будь силы тяготения, планеты разлетелись бы от Солнца, как бильярдные шары от удара кием.
Гравитация – сила тяготения
Если же смотреть глубже, то станет ясно, что не было бы гравитации, не было бы и самих планет. Сила тяготения - притяжение материи к материи - это та сила, которая собрала вещество в планеты и придала им круглую форму.
Силы тяготения Солнца вполне хватает на то, что бы удерживать девять планет, десятки их спутников и тысячи астероидов и комет. Вся эта компания роем вращается вокруг Солнца, как мотыльки вокруг освещенного балкона. Если бы не было силы тяготения, эти планеты, спутники и кометы полетели бы каждый своим путем по прямой линии. Вместо этого они вращаются вокруг Солнца по своим орбитам, потому что Солнце силой своего притяжения постоянно искривляет их прямолинейную траекторию, притягивая к себе планеты, луны и кометы с астероидами.
Планеты кружатся вокруг светила, подобно тому, как пони, катающие детей, ходят по кругу, привязанные к столбу в центре этого круга. Разница только в способе привязки. Космические тела привязаны к Солнцу невидимыми нитями гравитации. Правда, чем больше расстояние между объектами, тем меньше сила притяжения между ними. Солнце гораздо слабее притягивает планету Плутон, самую дальнюю в Солнечной системе, чем, скажем, Меркурий или Венеру. Сила гравитации уменьшается (или увеличивается) в зависимости от расстояния экспоненциально.
Точно так же, как камешек с резинкой, наша Земля стремительно улетит прочь из солнечной системы, если на неё по какой-либо причине вдруг перестанет действовать притяжение Солнца . Допустим на минуту, что это совершилось. Посмотрим, что тогда произойдет с нашей планетой и всеми нами – обитателями Земли. Притяжение солнца.
При удалении от Солнца
Уже при удалении от Солнца на расстояние примерно планеты Уран мы будем сильно ощущать заметное уменьшение света и влияния животворных солнечных лучей. Затем, с большим удалением, Солнце нам представится только в виде яркой, мало греющей звезды. Через некоторое время мы будем наблюдать Солнце в виде маленькой, еле заметной, слабо мерцающей звёздочки и, наконец, потеряем его из поля зрения. Но ещё много раньше, чем мы потеряем из виду наше дневное светило, на Земле прекратит своё существование всякая животная и растительная жизнь. Земля погрузится в вечный мрак и холод, продолжая стремительно мчаться в пространстве Вселенной . На Земле не будет никаких воздушных течений, не будет смерчей и грозовых ураганов, не будет даже самого слабого ветерка. Под влиянием мирового холода до дна промёрзнут самые глубокие океаны. Земля покроется снегом из жидкого воздуха, превратится в ледяную глыбу, на ней воцарится вечная и глубокая тишина. Одним словом, наша планета во многом сделается похожей на своего спутника Луну. Наконец, эта безжизненная застывшая глыба может встретить на своем пути в мировом пространстве какую-то новую солнечную систему. Под влиянием притяжения центрального тела этой системы Земля станет кружиться вокруг него вместе с другими планетами, уже вращающимися вокруг этого нового «Солнца». Земля обретёт себе приют в семье нового мира планет, допустим, без новой катастрофы. Она, может быть, будет обогреваться и освещаться новым Солнцем еще сильнее, чем прежним. Возможно, она вновь станет «носителем жизни», но уже обновлённой. Мир старый уже не возродится. Но всё рассказанное – только фантазия. К великому нашему удовлетворению, и никак не может «соскочить» с нее. Её с мощной силой непрерывно притягивает к себе наше Солнце. И нет такой силы в природе, которая могла бы нарушить эту силу притяжения Солнца . Единственная возможность – вторжение в нашу систему какой-нибудь другой звезды. Тогда действительно разразится страшная катастрофа, описанная в фантастическом рассказе Уэллса «Звезда». Солнце не только удерживает Землю (и другие планеты) на определённых от себя расстояниях, в общем мало меняющихся, и куда-то в беспредельные космические дали. Это происходит потому, что Солнце обладает массой грандиозных размеров. Объём его в миллион триста тысяч раз больше , а масса Солнца примерно в 750 раз больше массы всех планет солнечной системы, взятых вместе. Сила притяжения Солнца необычайно велика. , не перестаёт падать на него, но никак не может упасть, так как этому мешает её движение по инерции.Если Земля перестанет двигаться по своей орбите
Но посмотрим, что будет, если Земля вдруг в силу каких-то неизвестных причин перестанет двигаться по своей орбите . Тогда Земля с невероятно большой и всё возрастающей скоростью будет стремительно падать на Солнце. И, в конце концов, упадёт на него.
Вращение Земли по своей орбите вокруг Солнца.
Мы, обитатели Земли, скоро заметили бы обильное увеличение света и тепла. Нам стало бы сразу невыносимо жарко, если бы даже эта катастрофа нас застала зимой. Температура воздуха повышалась бы так быстро, она достигла бы такой цифры, что нашими обыкновенными термометрами её уже нельзя было бы измерить.
Громадные ледниковые покровы на Северном и Южном полюсах при этих условиях быстро бы растаяли, и вода, образовавшаяся от таяния этих льдов, превратилась бы в пар, прежде чем она успела бы разлиться по поверхности Земли. Высохнут самые глубокие моря и океаны. Выгорит вся растительность. Погибнут даже наиболее сухоустойчивые растения. Животные и люди сгорят вместе со всей нашей планетой.
Еще раньше чем успеет Земля приблизиться вплотную к Солнцу, она начнёт превращаться в комок раскалённых газов. Этот комок и ввергнется в раскалённую пучину Солнца. Надо помнить, что температура поверхности Солнца составляет около 6 000 градусов, и самые тугоплавкие металлы там находятся в состоянии сильно раскалённых газов.
Но ничего подобного случиться не может. Земля, благодаря притяжению Солнца, миллионы лет будет двигаться вокруг нашего светила, и никакие катастрофы ей не грозят.
Статьи по теме
