Tata surya terlihat pergerakan benda-benda angkasa. Dasar-dasar Mekanika Celestial

Dua keberhasilan paling signifikan dari ilmu alam klasik, berdasarkan mekanika Newton, adalah deskripsi yang hampir lengkap tentang gerakan benda langit yang diamati dan penjelasan tentang hukum gas ideal yang diketahui dari eksperimen.

hukum Kepler. Awalnya, diyakini bahwa Bumi tidak bergerak, dan gerakannya benda angkasa tampak sangat sulit. Galileo adalah salah satu yang pertama menyarankan bahwa planet kita tidak terkecuali dan juga bergerak mengelilingi Matahari. Konsep ini disambut dengan agak permusuhan. Tycho Brahe memutuskan untuk tidak mengambil bagian dalam diskusi, tetapi untuk melakukan pengukuran langsung dari koordinat benda-benda di bola surgawi. Dia mengabdikan seluruh hidupnya untuk ini, tetapi dia tidak hanya tidak menarik kesimpulan apa pun dari pengamatannya, tetapi dia bahkan tidak mempublikasikan hasilnya. Kemudian, data Tycho datang ke Kepler, yang menemukan penjelasan sederhana untuk lintasan kompleks yang diamati dengan merumuskan tiga hukum gerak planet (dan Bumi) mengelilingi Matahari (Gbr. 6_1):

1. Planet-planet bergerak dalam orbit elips, dengan salah satu fokusnya adalah Matahari.

2. Kecepatan planet berubah sedemikian rupa sehingga luas yang disapu oleh vektor jari-jarinya sebesar interval yang sama waktu adalah sama.

3. Periode revolusi planet-planet satu tata surya dan sumbu semi-mayor dari orbitnya dihubungkan oleh:

Pergerakan kompleks planet-planet pada "bola langit" yang diamati dari Bumi, menurut Kepler, muncul sebagai akibat dari penambahan planet-planet ini dalam orbit elips dengan pergerakan pengamat, yang, bersama dengan Bumi, gerakan orbit mengelilingi matahari dan rotasi harian di sekitar poros planet.

bukti langsung rotasi harian Bumi adalah eksperimen yang ditetapkan oleh Foucault, di mana bidang osilasi pendulum diputar relatif terhadap permukaan Bumi yang berputar.

Hukum gravitasi. Hukum Kepler dengan sempurna menggambarkan pergerakan planet yang diamati, tetapi tidak mengungkapkan alasan yang mengarah ke pergerakan tersebut (misalnya, dapat dianggap bahwa alasan pergerakan benda di sepanjang orbit Keplerian adalah kehendak beberapa makhluk atau keinginan. dari benda-benda angkasa itu sendiri agar selaras). Teori gravitasi Newton menunjukkan penyebab yang menentukan pergerakan benda-benda kosmik menurut hukum Kepler, memprediksi dan menjelaskan ciri-ciri pergerakannya dengan lebih tepat. kasus-kasus sulit, memungkinkan untuk menggambarkan banyak fenomena pada skala kosmik dan terestrial dalam istilah yang sama (pergerakan bintang-bintang dalam gugus galaksi dan jatuhnya sebuah apel di permukaan bumi).

Newton menemukan ekspresi yang tepat untuk gaya gravitasi timbul dari interaksi dua benda titik (benda yang dimensinya kecil dibandingkan dengan jarak di antara mereka):

(2)
,

yang, bersama-sama dengan hukum kedua, jika massa planet m jauh lebih sedikit massa bintang M, mengarah ke persamaan diferensial

(3)
,

mengakui solusi analitis. Tanpa melibatkan ide fisik tambahan, murni metode matematika modis untuk menunjukkan bahwa di bawah kondisi awal yang sesuai (cukup kecil) jarak awal ke bintang dan kecepatan planet) tubuh kosmik akan berputar bersama orbit elips yang tertutup dan stabil di setuju sepenuhnya dengan hukum Kepler (khususnya, hukum kedua Kepler adalah konsekuensi langsung dari hukum kekekalan momentum sudut, yang dipenuhi selama interaksi gravitasi, karena momen gaya (2) relatif terhadap pusat masif selalu nol). Pada kecepatan awal yang cukup tinggi (nilainya tergantung pada massa bintang dan posisi awal) benda kosmik bergerak di sepanjang lintasan hiperbolik, akhirnya bergerak menjauh dari bintang ke jarak yang tak terbatas.

Sifat penting dari hukum gravitasi (2) adalah kekekalannya bentuk matematika Kapan interaksi gravitasi benda non-titik dalam kasus distribusi massa simetris bola atas volume. Dalam hal ini, peran R dimainkan oleh jarak antara pusat-pusat benda-benda ini.

Pergerakan benda langit dengan adanya gangguan. Sebenarnya, hukum Kepler dipenuhi persis hanya dalam kasus gerak hanya satu benda di dekat yang lain, yang secara signifikan massa yang lebih besar, asalkan benda-benda ini berbentuk bola. Dengan sedikit penyimpangan dari bentuk bola (misalnya, karena rotasi bintang, itu bisa agak "merata"), orbit planet berhenti tertutup dan merupakan elips yang mendahului di sekitar bintang.

Gangguan umum lainnya adalah pengaruh gravitasi planet satu sistem bintang Satu sama lain. Orbit Keplerian stabil sehubungan dengan gangguan yang lemah, yaitu, setelah mengalami dampak dari tetangga yang terbang dekat, planet ini cenderung kembali ke lintasan aslinya. Di hadapan gangguan yang kuat (lintasan benda besar pada jarak pendek), masalah gerak menjadi jauh lebih rumit dan tidak dapat diselesaikan secara analitis. perhitungan numerik menunjukkan bahwa dalam hal ini lintasan planet-planet berhenti menjadi elips dan mewakili kurva terbuka.

Menurut hukum ketiga Newton, ada gaya yang bekerja pada bintang dari sisi planet-planet. Dalam kasus M>>m, percepatan bintang sangat kecil dan dapat dianggap stasioner. Di hadapan dua benda dengan massa yang sepadan yang tertarik satu sama lain, gerakan bersama yang stabil dalam orbit elips di sekitar yang sama Pusat gravitasi . Jelas bahwa benda yang lebih masif bergerak di sepanjang orbit dengan radius yang lebih kecil. Dalam kasus planet bergerak mengelilingi bintang, efek ini hampir tidak terlihat. namun, sistem ditemukan di ruang angkasa yang membuat gerakan yang dijelaskan - bintang ganda . Perhitungan numerik gerakan planet-planet dalam sistem bintang biner menunjukkan bahwa orbitnya pada dasarnya tidak stasioner, jarak dari planet ke bintang bervariasi dengan cepat dalam rentang yang sangat luas. Yang tak terhindarkan perubahan yang cepat iklim di planet membuatnya sangat bermasalah kemungkinan evolusi biologis. Bahkan lebih kecil kemungkinannya adalah munculnya peradaban teknis di planet-planet sistem bintang ganda, karena gerakan kompleks planet-planet non-periodik mengarah pada gerakan benda-benda yang dapat diamati pada "bola langit" yang sulit diuraikan, secara signifikan memperumit perumusan hukum Kepler dan, sebagai akibatnya, pengembangan mekanika klasik(Gbr. 6_2).

Struktur tata surya. Diketahui bahwa sebagian besar tata surya (sekitar 99,8%) jatuh pada satu-satunya bintang - Matahari. massa total planet hanya 0,13% dari total. Di badan lain dari sistem (komet, satelit planet, asteroid, dan zat meteorit) menyumbang hanya 0,0003% dari massa. Dari gambar di atas dapat disimpulkan bahwa hukum Kepler untuk pergerakan planet-planet dalam sistem kita harus dijalankan dengan sangat baik. Penyimpangan yang signifikan dari orbit elips dapat terjadi hanya dalam kasus penerbangan dekat (dibandingkan dengan jarak ke Matahari) melewati salah satu planet: Merkurius, Venus, Bumi, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus atau Pluto (ini adalah terutama berlaku untuk planet yang paling masif - Jupiter). Itu adalah pengamatan gangguan orbit Neptunus yang memungkinkan untuk memprediksi dan kemudian menemukan Pluto - yang paling jauh dari planet yang dikenal sistem kami.

di mana adalah jari-jari orbit bumi. Tidak seperti hukum Kepler, hubungan (4) tidak mengikuti hukum Newton dengan cara apa pun dan belum menerima pembenaran teoretis, meskipun orbit semua planet yang dikenal saat ini dijelaskan dengan memuaskan oleh rumus ini. Satu-satunya pengecualian adalah nilainya n=3, yang tidak ada planet dalam orbit yang dihitung. Sebaliknya, ditemukan sabuk asteroid - benda kecil pada skala planet bentuk tidak beraturan. Hukum empiris yang tidak didukung oleh teori yang ada dapat memainkan peran positif dalam penelitian, karena mereka juga mencerminkan realitas objektif(mungkin tidak cukup akurat dan bahkan agak terdistorsi).

Hipotesis planet kelima yang sudah ada sebelumnya, Phaethon, tampak menarik, hancur berkeping-keping oleh gaya tarik gravitasi raksasa dari tetangga besarnya, Jupiter, namun Analisis kuantitatif gerak planet - raksasa menunjukkan kegagalan asumsi ini. Rupanya, masalah yang disebutkan hanya dapat diselesaikan berdasarkan teori lengkap tentang asal usul dan evolusi planet-planet tata surya, yang belum ada. Sebuah teori yang sangat menarik tentang asal usul matahari dan planet-planet bersama dari satu awan gas, terkompresi di bawah aksi gaya gravitasi, bertentangan dengan distribusi tidak merata yang diamati torsi(momentum) antara bintang dan planet-planet. Model-model asal usul planet-planet sebagai akibat dari penangkapan gravitasi Matahari terhadap benda-benda yang datang dari ruang angkasa yang jauh, efek-efek yang disebabkan oleh ledakan supernova dibahas. Dalam sebagian besar "skenario" untuk pengembangan tata surya, keberadaan sabuk asteroid entah bagaimana dikaitkan dengan kedekatannya dengan planet besar sistem.

Sifat-sifat planet tata surya yang saat ini diketahui memungkinkan kita untuk membaginya menjadi dua kelompok. Empat planet pertama kelompok terestrial dicirikan oleh massa yang relatif kecil dan kepadatan tinggi zat-zat yang menyusunnya. Mereka terdiri dari inti besi cair yang dikelilingi oleh cangkang silikat - kulit kayu. Planet-planet memiliki atomosfer gas. Suhu mereka terutama ditentukan oleh jarak ke Matahari dan menurun dengan kenaikannya. Dimulai dengan Jupiter kumpulan planet raksasa terutama terdiri dari unsur-unsur ringan (hidrogen dan helium), tekanan yang di lapisan dalam meningkat ke nilai yang sangat besar karena kompresi gravitasi. Akibatnya, saat mereka mendekati pusat, gas secara bertahap berubah menjadi cair dan, mungkin, menjadi padat. Diasumsikan bahwa dalam wilayah tengah tekanannya sangat besar sehingga hidrogen ada di fase logam, yang belum diamati di Bumi bahkan dalam kondisi laboratorium. Planet-planet dari kelompok kedua memiliki sejumlah besar satelit. Di Saturnus, jumlah mereka sangat besar sehingga, dengan perbesaran yang tidak memadai, planet ini tampaknya dikelilingi oleh sistem cincin yang berkesinambungan (Gbr. 6_3).

Masalah keberadaan kehidupan di planet lain masih membangkitkan minat yang meningkat di bidang yang hampir ilmiah. Saat ini, dapat dinyatakan dengan cukup pasti bahwa dalam bentuk protein yang akrab dengan ilmu pengetahuan alam modern, kehidupan di planet-planet tata surya (tentu saja, dengan pengecualian Bumi) tidak ada. Alasan untuk ini terutama adalah kecilnya kisaran kondisi fisikokimia yang memungkinkan kemungkinan keberadaan molekul organik dan jalannya reaksi kimia vital dengan partisipasi mereka (tidak terlalu tinggi dan suhu rendah, rentang tekanan sempit, keberadaan oksigen, dll.). Satu-satunya planet selain Bumi, yang kondisinya tidak secara jelas bertentangan dengan kemungkinan adanya kehidupan protein, adalah Mars. Namun, studi yang cukup rinci tentang permukaannya menggunakan stasiun antarplanet"Mars", "Marioner" dan "Viking" menunjukkan bahwa kehidupan tidak ada di planet-planet ini bahkan dalam bentuk mikroorganisme (Gbr. 6_4).

Adapun pertanyaan tentang keberadaan bentuk-bentuk non-protein dari kehidupan di luar bumi, diskusi seriusnya harus didahului dengan perumusan ketat dari konsep kehidupan yang paling umum, tetapi masalah ini belum menerima solusi memuaskan yang diterima secara umum. (Seseorang mendapat kesan bahwa penemuan bentuk kehidupan yang sangat berbeda dari imajinasi kita yang biasa mungkin sama sekali tidak menarik minat masyarakat non-ilmiah. Tidak terlalu sulit untuk membayangkan penciptaan virus komputer yang dapat bereplikasi di jaringan dan dapat berkembang, jauh lebih sulit untuk membayangkan reaksi ini di masyarakat, selain gangguan pengguna yang kehilangan program).

Tentang sifat gaya gravitasi. hukum Newton gravitasi mengacu pada hukum dasar ilmu alam klasik. Kelemahan metodologis konsep Newton adalah penolakannya untuk membahas mekanisme yang mengarah pada munculnya gaya gravitasi ("Saya tidak menemukan hipotesis"). Setelah Newton, upaya berulang kali dilakukan untuk menciptakan teori gravitasi. Sebagian besar pendekatan dikaitkan dengan apa yang disebut model gravitasi hidrodinamik , yang mencoba menjelaskan munculnya gaya gravitasi melalui interaksi mekanis benda-benda masif dengan zat antara, yang dikaitkan dengan satu atau lain nama: "eter", "aliran graviton", "vakum", dll. Tarik-menarik antar benda muncul sebagai akibat dari penghalusan Medium, yang terjadi baik ketika diserap oleh benda masif, atau ketika mereka menyaring alirannya. Semua teori ini memiliki kelemahan umum yang signifikan: memprediksi dengan tepat ketergantungan gaya pada jarak (2), mereka pasti mengarah pada satu lagi efek yang tidak dapat diamati: perlambatan benda yang bergerak relatif terhadap zat yang diperkenalkan.

Sebuah langkah baru yang signifikan dalam pengembangan konsep interaksi gravitasi dibuat oleh A. Einstein, yang menciptakan Relativitas umum .

Semua hipotesis kosmogonik dapat dibagi menjadi beberapa kelompok. Menurut salah satu dari mereka, Matahari dan semua benda tata surya: planet, satelit, asteroid, komet, dan meteoroid - terbentuk dari satu awan gas dan debu, atau awan debu. Menurut yang kedua, Matahari dan keluarganya memiliki berbagai asal, sehingga Matahari terbentuk dari satu awan gas dan debu (nebula, globules), dan benda langit Tata Surya lainnya - dari awan lain, yang ditangkap dengan cara yang tidak sepenuhnya jelas oleh Matahari ke orbitnya dan dipisahkan dalam beberapa, bahkan lebih dengan cara yang tidak dapat dipahami oleh banyak orang berbagai badan(planet, satelitnya, asteroid, komet, dan meteoroid) yang paling banyak berbagai karakteristik: massa, densitas, eksentrisitas, arah orbit dan arah rotasi pada sumbunya, kemiringan orbit terhadap bidang ekuator Matahari (atau ekliptika) dan kemiringan bidang ekuator terhadap bidangnya orbit.
Sembilan planet besar berputar mengelilingi Matahari dalam bentuk elips (sedikit berbeda dari lingkaran) pada bidang yang hampir sama. Dalam urutan jarak dari Matahari, ini adalah Merkurius, Venus, Bumi, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus, dan Pluto. Selain mereka, ada banyak planet kecil (asteroid) di tata surya, yang sebagian besar bergerak di antara orbit Mars dan Jupiter. Ruang antara planet-planet dipenuhi dengan gas yang sangat langka dan debu luar angkasa. Itu ditembus oleh radiasi elektromagnetik.
Matahari 109 kali lebih banyak bumi diameternya dan sekitar 333.000 kali lebih besar dari Bumi. Massa semua planet hanya sekitar 0,1% dari massa Matahari, sehingga mengontrol pergerakan semua anggota tata surya dengan gaya tarik-menariknya.

Konfigurasi dan kondisi visibilitas planet

Konfigurasi planet-planet disebut beberapa karakteristik lagi pengaturan bersama planet, bumi dan matahari.
Kondisi visibilitas planet dari Bumi sangat berbeda untuk planet dalam (Venus dan Merkurius), yang orbitnya terletak di dalam orbit Bumi, dan untuk planet luar (selebihnya).
Planet bagian dalam mungkin berada di antara Bumi dan Matahari atau di belakang Matahari. Dalam posisi seperti itu, planet ini tidak terlihat, karena hilang di bawah sinar matahari. Posisi ini disebut konjungsi planet dengan Matahari. Pada konjungsi inferior, planet ini paling dekat dengan Bumi, dan pada konjungsi superior, planet ini terjauh dari kita.

Periode sinodik revolusi planet dan hubungannya dengan periode sidereal

Periode revolusi planet-planet mengelilingi Matahari dalam kaitannya dengan bintang-bintang disebut periode bintang atau sidereal.
Bagaimana planet yang lebih dekat ke Matahari, semakin linier dan kecepatan sudut dan periode revolusi sidereal yang lebih pendek mengelilingi Matahari.
Namun, dari pengamatan langsung, bukan periode sidereal revolusi planet yang ditentukan, tetapi interval waktu yang mengalir di antara dua konfigurasi berurutan dengan nama yang sama, misalnya, antara dua koneksi serial(oposisi). Periode ini disebut periode sinodik. Setelah menentukan periode sinodik dari pengamatan, periode sidereal planet-planet ditemukan dengan perhitungan.
Periode sinodik planet luar adalah periode waktu setelah Bumi menyusul planet sebesar 360 ° saat mereka bergerak mengelilingi Matahari.

hukum Kepler

Kelebihan menemukan hukum gerak planet adalah milik ilmuwan Jerman yang luar biasa Johannes Kepler(1571 -1630). PADA awal XVII di. Kepler, mempelajari sirkulasi Mars mengelilingi Matahari, menetapkan tiga hukum gerak planet.

hukum pertama Kepler . Setiap planet berputar dalam elips dengan Matahari di salah satu fokusnya.

hukum kedua Kepler (hukum daerah). Jari-jari-vektor planet untuk selang waktu yang sama menggambarkan luas yang sama.

hukum ketiga Kepler . Kuadrat periode sidereal planet-planet terkait sebagai pangkat tiga dari sumbu semi-mayor orbitnya.

Jarak rata-rata semua planet dari Matahari dalam satuan astronomi dapat dihitung dengan menggunakan hukum ketiga Kepler. Setelah menentukan jarak rata-rata Bumi dari Matahari (yaitu, nilai 1 AU) dalam kilometer, dalam satuan ini seseorang dapat menemukan jarak ke semua planet di tata surya Sumbu semi-mayor orbit bumi adalah diambil sebagai satuan astronomi jarak (=1 a.e.)
Metode klasik untuk menentukan jarak adalah dan tetap menjadi metode geometrik goniometrik. Mereka menentukan jarak ke bintang-bintang yang jauh, yang metode radarnya tidak dapat diterapkan. Metode geometris didasarkan pada fenomena pergeseran paralaks.

Perpindahan paralaktik adalah perubahan arah suatu benda ketika pengamat bergerak..

CONTOH PEMECAHAN MASALAH

Tugas. Penentangan beberapa planet berulang dalam 2 tahun. Apa sumbu semi-mayor dari orbitnya?

Diberikan	KEPUTUSAN Sumbu semi-mayor orbit dapat ditentukan dari hukum ketiga Kepler: , dan periode sideris - dari rasio antara periode sidereal dan sinodik: ,
- ?

Ukuran dan bentuk bumi

Dalam foto yang diambil dari luar angkasa, Bumi terlihat seperti bola yang disinari oleh Matahari.
Jawaban yang tepat tentang bentuk dan ukuran bumi diberikan pengukuran derajat, yaitu, pengukuran dalam kilometer dari panjang busur 1 ° di tempat yang berbeda di permukaan bumi. Pengukuran derajat telah menunjukkan bahwa panjang 1° busur meridian dalam kilometer di wilayah kutub adalah yang terbesar (111,7 km), dan yang terkecil di khatulistiwa (110,6 km). Oleh karena itu, di ekuator, kelengkungan permukaan bumi lebih besar daripada di kutub, dan ini menunjukkan bahwa bumi bukan bola. Jari-jari khatulistiwa Bumi lebih besar dari jari-jari kutub sebesar 21,4 km. Oleh karena itu, Bumi (seperti planet lain) karena rotasi dikompresi di kutub.
Sebuah bola, yang ukurannya sama dengan planet kita, memiliki jari-jari 6370 km. Nilai ini dianggap sebagai jari-jari Bumi.
Sudut di mana jari-jari Bumi terlihat tegak lurus terhadap garis pandang disebut paralaks horizontal.

Massa dan kepadatan Bumi

Hukum gravitasi universal memungkinkan Anda untuk menentukan salah satu dari karakteristik yang paling penting benda langit - massa, khususnya massa planet kita. Memang, berdasarkan hukum gravitasi universal, percepatan jatuh bebas g=(G*M)/r 2 . Oleh karena itu, jika nilai percepatan jatuh bebas, konstanta gravitasi, dan jari-jari Bumi diketahui, maka massanya dapat ditentukan.
Mengganti dalam rumus yang ditentukan nilai g \u003d 9,8 m / s 2, G \u003d 6,67 * 10 -11 N * m 2 / kg 2,

R \u003d 6370 km, kami menemukan bahwa massa Bumi adalah M \u003d 6 x 10 24 kg. Mengetahui massa dan volume Bumi, kita dapat menghitung kerapatan rata-ratanya.

Sejak zaman kuno, orang telah mengamati fenomena di langit seperti rotasi langit berbintang, perubahan fase bulan, matahari terbit dan terbenam. benda-benda langit, gerakan semu Matahari melintasi langit pada siang hari, gerhana matahari, perubahan ketinggian Matahari di atas cakrawala selama setahun, gerhana bulan. Jelas bahwa semua fenomena ini terhubung, pertama-tama, dengan pergerakan benda-benda langit, yang sifatnya coba digambarkan oleh orang-orang dengan bantuan pengamatan visual sederhana, pemahaman yang benar dan penjelasannya berkembang selama berabad-abad.

Pertama referensi tertulis tentang benda langit muncul di mesir kuno dan Sumeria. Orang dahulu membedakan tiga jenis benda di cakrawala: bintang, planet, dan "bintang berekor". Perbedaan datang hanya dari pengamatan: Bintang tetap tidak bergerak relatif terhadap bintang lain untuk waktu yang cukup lama. Oleh karena itu, diyakini bahwa bintang-bintang itu "tetap" pada bola langit. Seperti yang kita ketahui sekarang, karena rotasi Bumi, setiap bintang "menggambar" lingkaran di langit.

Planet-planet, sebaliknya, bergerak melintasi langit, dan pergerakannya terlihat mata telanjang dalam satu atau dua jam. Bahkan di Sumeria, 5 planet ditemukan dan diidentifikasi: Merkurius, Venus, Mars, Jupiter, Saturnus. Bagi mereka, Matahari dan Bulan ditambahkan ke tumpukan. Jumlah: 7 planet. Bintang "berekor" dari komet. Jarang muncul, melambangkan masalah.

Hukum Kepler I. Setiap planet bergerak dalam elips dengan Matahari di salah satu fokusnya. II.(hukum luas yang sama). Vektor radius planet menggambarkan area yang sama dalam interval waktu yang sama. III.Kuadrat periode revolusi planet-planet mengelilingi Matahari sebanding dengan pangkat tiga setengah sumbu utama orbit elipsnya. Tiga hukum gerak planet relatif terhadap matahari secara empiris diturunkan oleh astronom Jerman Johannes Kepler pada awal abad ke-17. Ini menjadi mungkin berkat pengamatan bertahun-tahun oleh astronom Denmark Tycho Brahe.

Pergerakan planet dan Matahari yang paling mudah terlihat dijelaskan dalam kerangka acuan yang terkait dengan Matahari. Pendekatan ini disebut sistem heliosentris dunia dan diusulkan oleh astronom Polandia Nicolaus Copernicus (). PADA zaman kuno dan hingga Copernicus, diyakini bahwa Bumi terletak di pusat Semesta dan semua benda langit berputar di sepanjang lintasan kompleks di sekitarnya. Sistem dunia ini disebut sistem geosentris dunia.

Setelah pengakuan sistem heliosentris revolusioner dunia Copernicus, setelah Kepler merumuskan tiga hukum gerak benda langit dan menghancurkan ide-ide naif berabad-abad tentang sederhana bundaran planet mengelilingi bumi, dibuktikan dengan perhitungan dan pengamatan bahwa orbit pergerakan benda langit hanya dapat berbentuk elips, akhirnya menjadi jelas bahwa pergerakan semu planet terdiri dari : pergerakan pengamat di permukaan bumi rotasi bumi mengelilingi matahari gerakan sendiri benda angkasa

Gerakan semu yang kompleks dari planet-planet di bola langit disebabkan oleh revolusi planet-planet tata surya mengelilingi matahari. Kata "planet" dalam bahasa Yunani kuno berarti "berkeliaran" atau "gelandangan". Lintasan benda angkasa disebut orbitnya. Kecepatan planet-planet dalam orbitnya berkurang seiring dengan jarak planet-planet dari Matahari. Sifat pergerakan planet tergantung pada kelompok mana ia berada. Oleh karena itu, sehubungan dengan orbit dan kondisi visibilitas dari Bumi, planet-planet dibagi menjadi internal (Merkurius, Venus) dan eksternal (Mars, Saturnus, Yupiter, Uranus, Neptunus, Pluto), atau, masing-masing, dalam kaitannya dengan orbit bumi, menjadi lebih rendah dan lebih tinggi.

Planet-planet luar selalu menghadap ke Bumi dengan sisi yang diterangi oleh Matahari. Planet-planet dalam mengubah fasenya seperti bulan. Jarak sudut terbesar planet dari Matahari disebut elongasi. Perpanjangan terbesar di Merkurius adalah 28°, di Venus - 48°. Pada perpanjangan timur planet dalam terlihat di barat, di bawah sinar fajar sore, tak lama setelah matahari terbenam. Perpanjangan malam (timur) Merkurius Selama pemanjangan barat, planet bagian dalam terlihat di timur, dalam sinar fajar, sesaat sebelum matahari terbit. Planet-planet luar dapat berada pada jarak sudut berapa pun dari Matahari.

Sudut fase planet adalah sudut antara berkas cahaya datang dari Matahari di planet dan sinar yang dipantulkan dari itu ke pengamat. Sudut fase Merkurius dan Venus bervariasi dari 0 ° hingga 180 °, sehingga Merkurius dan Venus mengubah fase seperti Bulan. Dekat konjungsi inferior, kedua planet memiliki dimensi sudut terbesar, tetapi terlihat seperti bulan sabit yang sempit. Pada sudut fase = 90 °, setengah dari piringan planet diterangi, fase = 0,5. Dalam konjungsi superior, planet-planet yang lebih rendah diterangi sepenuhnya, tetapi kurang terlihat dari Bumi, karena mereka berada di belakang Matahari.

Karena, selama pengamatan dari Bumi, pergerakan planet-planet mengelilingi Matahari juga ditumpangkan pada pergerakan Bumi dalam orbitnya, planet-planet bergerak melintasi langit dari timur ke barat ( gerakan langsung), lalu dari barat ke timur ( mundur). Momen perubahan arah disebut berhenti. Jika Anda meletakkan jalur ini di peta, Anda mendapatkan lingkaran. Ukuran lingkaran semakin kecil, semakin besar jarak antara planet dan Bumi. Planet-planet menggambarkan loop, dan tidak hanya bergerak maju mundur dalam satu garis, semata-mata karena fakta bahwa bidang orbitnya tidak bertepatan dengan bidang ekliptika. Karakter seperti lingkaran yang kompleks pertama kali diperhatikan dan dijelaskan menggunakan contoh gerakan Venus yang tampak.

Ini adalah fakta yang terkenal bahwa pergerakan planet-planet tertentu dapat diamati dari Bumi secara ketat waktu tertentu tahun, ini karena posisi mereka dari waktu ke waktu di langit berbintang. Susunan timbal balik yang khas dari planet-planet relatif terhadap Matahari dan Bumi disebut konfigurasi planet. internal dan planet luar berbeda: untuk planet bawah ini adalah konjungsi dan pemanjangan (deviasi sudut terbesar orbit planet dari orbit Matahari), untuk planet atas ini adalah kuadratur, konjungsi, dan oposisi.

Jika T adalah Bumi, P 1 adalah planet dalam, S adalah Matahari, konjungsi langit disebut konjungsi inferior. Dalam konjungsi inferior yang "ideal", Merkurius atau Venus melintasi piringan Matahari. Jika T adalah Bumi, S adalah Matahari, P 1 adalah Merkurius atau Venus, fenomena tersebut disebut konjungsi atas. Dalam kasus "ideal", planet ini ditutupi oleh Matahari, yang, tentu saja, tidak dapat diamati karena perbedaan kecerahan bintang-bintang yang tak tertandingi. Untuk sistem Bumi-Bulan-Matahari, bulan baru terjadi di konjungsi bawah, dan bulan purnama terjadi di konjungsi atas.

Dalam pergerakannya di bidang angkasa, Merkurius dan Venus tidak pernah jauh dari Matahari (Merkurius tidak lebih jauh dari 18° 28°; Venus tidak lebih jauh dari 45° 48°) dan dapat berada di timur atau barat dia. Momen pemindahan sudut terbesar planet ke timur Matahari disebut elongasi timur atau sore; ke barat dengan pemanjangan barat atau pagi.

Mari kita perkenalkan konsep spesifik besaran fisika mengkarakterisasi gerakan planet-planet dan memungkinkan beberapa perhitungan: giliran penuh mengelilingi matahari dalam hubungannya dengan bintang-bintang. Periode sinodik revolusi planet adalah selang waktu S antara dua konfigurasi yang berurutan dengan nama yang sama.

Literatur yang digunakan: Literatur yang digunakan: 1) D. Ya. Myakishev, B.V. Bukhovtsev. Fisika Kelas 11: buku teks. untuk pendidikan umum institusi 2) Sumber daya internet: planet/ page1.html

Dari Zaman Kuno hingga abad ke-15. Diyakini bahwa Bumi tidak bergerak dan berada di pusat alam semesta. N. Copernicus dan G. Galileo termasuk di antara yang pertama di zaman modern yang mengungkapkan gagasan bahwa planet kita berputar mengelilingi matahari. Konsep ini disambut dengan agak permusuhan: Galileo bahkan dipaksa untuk secara terbuka meninggalkannya di bawah tekanan dari gereja. Sangat penting untuk penemuan masa depan hukum gerak adalah pengamatan T. Brahe, yang mengabdikan seluruh hidupnya untuk ini.

Namun, dia tidak menarik kesimpulan apa pun dari pengamatannya. Kemudian, karya T. Brahe datang ke I. Kepler, yang menemukan penjelasan sederhana untuk lintasan kompleks yang diamati, merumuskan tiga hukum gerak planet mengelilingi Matahari:

Planet-planet bergerak dalam orbit elips mengelilingi matahari;
planet bergerak tidak merata planet selanjutnya dari Matahari, semakin lambat ia bergerak, dan sebaliknya: semakin dekat dengan Matahari, semakin cepat ia bergerak;
periode revolusi planet-planet mengelilingi matahari tergantung pada jarak mereka darinya: lebih banyak planet terpencil bergerak lebih lambat daripada yang lebih dekat ke matahari.

Hukum Kepler menggambarkan gerakan planet yang diamati, tetapi tidak mengungkapkan penyebab yang menyebabkan gerakan tersebut. I. Teori gravitasi Newton menunjukkan penyebab yang menentukan pergerakan benda-benda kosmik menurut hukum Kepler, memprediksi dan menjelaskan dengan tepat ciri-ciri pergerakannya, dan juga memungkinkan untuk menggambarkan fenomena pada skala kosmik dan terestrial dalam istilah yang sama. Newton menemukan ekspresi yang tepat untuk gaya gravitasi yang timbul dari interaksi benda, merumuskan hukum gravitasi universal: antara dua benda ada gaya tarik menarik yang sebanding dengan produk massa mereka dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara mereka. .

Hukum Kepler dipenuhi persis hanya dalam kasus gerakan satu benda di dekat yang lain, yang memiliki massa yang jauh lebih besar, dan di bawah kondisi bahwa benda-benda ini berbentuk bola. Bahkan dengan penyimpangan kecil dari bentuk bola, orbit planet adalah elips yang mendahului di sekitar bintang. Kecepatan presesi dapat dihitung dengan cukup akurat berdasarkan hukum Newton dan ternyata maksimum untuk planet yang paling dekat dengan Matahari - Merkurius.

Menurut hukum ketiga Newton, ada gaya yang bekerja pada bintang dari sisi planet. Dalam kasus ketika massa bintang jauh lebih besar daripada massa planet, percepatan bintang dapat diabaikan dan dapat dianggap stasioner. Namun, di hadapan tubuh massa yang sepadan yang tertarik satu sama lain, gerakan sendi mereka yang stabil dimungkinkan. pusat bersama berat Dalam kasus gerakan planet di sekitar bintang, efek ini hampir tidak terlihat, namun, sistem yang melakukan gerakan yang dijelaskan telah ditemukan di ruang angkasa - bintang biner.

Sebagian besar tata surya - sekitar 99,8% - jatuh ke Matahari. Massa total planet hanya 0,13% dari berat keseluruhan tata surya. Dari angka-angka ini dapat disimpulkan bahwa hukum Kepler untuk pergerakan planet-planet dalam sistem kita harus diamati dengan sangat baik. Penyimpangan signifikan dari orbit elips hanya dapat terjadi dalam kasus terbang dekat salah satu planet: Merkurius, Venus, Bumi, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus, atau Neptunus.

Hukum gravitasi Newton dan hukum Kepler memungkinkan untuk menghubungkan ukuran orbit planet dengan periode rotasi, tetapi mereka tidak memungkinkan kita untuk menghitung orbitnya sendiri. Kembali di abad ke-18 sebuah rumus diusulkan untuk jari-jari orbit planet-planet tata surya: R n = (0,4 + 0,3 x 2 n) x R o , di mana n = 0, 1, 2, 3...; R o - radius orbit bumi. Tidak seperti hukum Kepler, rasio ini sama sekali tidak mengikuti hukum Newton dan belum menerima penjelasan teoretis apa pun. Ada kemungkinan rasio ini adalah kebetulan. Namun, orbit planet-planet yang dikenal saat ini dijelaskan secara memuaskan dengan rumus ini. Satu-satunya pengecualian adalah nilai n = 3, di mana tidak ada planet dalam orbit yang dihitung. Sebaliknya, sabuk asteroid ditemukan - benda berbentuk tidak beraturan, kecil pada skala planet.

Masalah evolusi tata surya. Saat ini, tidak ada teori yang terbukti tentang evolusi tata surya. Sebuah teori yang sangat menarik tentang asal usul Matahari dan planet-planet bersama dari satu awan gas, yang dikompresi di bawah aksi gaya gravitasi, bertentangan dengan distribusi momen rotasi yang tidak merata yang diamati antara bintang dan planet-planet. Model asal usul planet sebagai akibat dari penangkapan gravitasi oleh Matahari dari benda-benda yang datang dari ruang angkasa yang jauh dibahas.

Sifat-sifat planet tata surya yang saat ini diketahui memungkinkan kita untuk membaginya menjadi dua kelompok. Empat planet pertama kelompok terestrial dicirikan oleh massa yang relatif kecil dan kepadatan tinggi zat penyusunnya. Mereka terdiri dari inti besi cair yang dikelilingi oleh cangkang silikat - kulit kayu. Planet-planet memiliki atmosfer gas. Suhu mereka ditentukan terutama oleh jarak ke Matahari dan menurun dengan kenaikannya. Mulai dari Jupiter, kelompok planet raksasa terutama terdiri dari unsur-unsur ringan - hidrogen dan helium. Saat mereka mendekati pusat planet, hidrogen dan helium secara bertahap berubah dari gas menjadi cair dan padat.

Diasumsikan bahwa di daerah pusat tekanannya sangat tinggi sehingga hidrogen ada dalam fase logam, yang belum pernah diamati di Bumi bahkan di bawah kondisi laboratorium. Planet-planet dari kelompok kedua memiliki jumlah yang besar satelit. Saturnus memiliki begitu banyak dari mereka sehingga, di bawah perbesaran yang tidak memadai, planet ini tampaknya dikelilingi oleh sistem cincin terus menerus.

hukum Kepler.

Awalnya, diyakini bahwa Bumi tidak bergerak, dan pergerakan benda langit tampak sangat rumit. Galileo adalah salah satu yang pertama menyarankan bahwa planet kita tidak terkecuali dan juga bergerak mengelilingi Matahari. Konsep ini disambut dengan agak permusuhan. Tycho Brahe memutuskan untuk tidak mengambil bagian dalam diskusi, tetapi untuk melakukan pengukuran langsung dari koordinat benda-benda di bola langit. Dia mengabdikan seluruh hidupnya untuk ini, tetapi dia tidak hanya tidak menarik kesimpulan apa pun dari pengamatannya, tetapi dia bahkan tidak mempublikasikan hasilnya. Kemudian, data Tycho datang ke Kepler, yang menemukan penjelasan sederhana untuk lintasan kompleks yang diamati dengan merumuskan tiga hukum gerak planet (dan Bumi) mengelilingi Matahari (Gbr. 6_1):

1. Planet-planet bergerak dalam orbit elips, dengan salah satu fokusnya adalah Matahari.

2. Kecepatan planet berubah sedemikian rupa sehingga luas yang disapu oleh vektor jari-jarinya untuk periode waktu yang sama adalah sama.

3. Periode revolusi planet-planet dalam satu tata surya dan poros gandar besar orbitnya dihubungkan oleh:

Pergerakan kompleks planet-planet pada "bola langit" yang diamati dari Bumi, menurut Kepler, muncul sebagai akibat dari penambahan planet-planet ini dalam orbit elips dengan pergerakan pengamat, yang, bersama-sama dengan Bumi, melakukan orbit. gerak mengelilingi matahari dan rotasi harian di sekitar sumbu planet.

Bukti langsung rotasi harian Bumi adalah eksperimen yang dibuat oleh Foucault, di mana bidang osilasi pendulum diputar relatif terhadap permukaan Bumi yang berputar.

Hukum gravitasi universal.

Hukum Kepler dengan sempurna menggambarkan pergerakan planet yang diamati, tetapi tidak mengungkapkan alasan yang mengarah ke pergerakan tersebut (misalnya, dapat dianggap bahwa alasan pergerakan benda di sepanjang orbit Keplerian adalah kehendak beberapa makhluk atau keinginan. dari benda-benda angkasa itu sendiri agar selaras). Teori gravitasi Newton menunjukkan penyebab yang menentukan pergerakan benda-benda kosmik menurut hukum Kepler, memprediksi dengan benar dan menjelaskan ciri-ciri pergerakan mereka dalam kasus yang lebih kompleks, memungkinkan untuk menggambarkan banyak fenomena pada skala kosmik dan terestrial dalam istilah yang sama. (pergerakan bintang-bintang dalam gugus galaksi dan jatuhnya buah apel di permukaan bumi).

Newton menemukan ekspresi yang tepat untuk gaya gravitasi yang timbul dari interaksi dua benda titik (benda yang dimensinya kecil dibandingkan dengan jarak antara keduanya):

yang, bersama dengan hukum kedua, jika massa planet m jauh lebih kecil daripada massa bintang M, menghasilkan persamaan diferensial

mengakui solusi analitis. Tanpa melibatkan tambahan apa pun ide fisik, adalah mode untuk menunjukkan dengan metode matematika murni bahwa di bawah kondisi awal yang sesuai (jarak awal yang cukup kecil ke bintang dan kecepatan planet), benda kosmik akan berputar dalam orbit elips yang tertutup dan stabil sesuai sepenuhnya dengan hukum Kepler ( khususnya, hukum kedua Kepler adalah konsekuensi langsung dari hukum kekekalan momentum sudut, yang dipenuhi selama interaksi gravitasi, karena momen gaya (2) relatif terhadap pusat masif selalu sama dengan nol). Pada tingkat yang cukup tinggi kecepatan awal(nilainya tergantung pada massa bintang dan posisi awal) benda kosmik bergerak sepanjang lintasan hiperbolik, akhirnya bergerak menjauh dari bintang ke jarak yang tak terbatas.

Sifat penting dari hukum gravitasi (2) adalah pelestarian bentuk matematisnya dalam kasus interaksi gravitasi benda-benda non-titik dalam kasus distribusi massa simetris bola di atas volume. Dalam hal ini, peran R dimainkan oleh jarak antara pusat-pusat benda-benda ini.

Pergerakan benda langit dengan adanya gangguan. Sebenarnya, hukum Kepler dipenuhi persis hanya dalam kasus gerak hanya satu benda di dekat yang lain, yang memiliki massa yang jauh lebih besar, asalkan benda-benda ini bulat. Dengan sedikit penyimpangan dari bentuk bola (misalnya, karena rotasi bintang, itu bisa agak "merata"), orbit planet berhenti tertutup dan merupakan elips yang mendahului di sekitar bintang.

Gangguan umum lainnya adalah pengaruh gravitasi planet-planet dari satu sistem bintang satu sama lain. Orbit Keplerian stabil sehubungan dengan gangguan yang lemah, yaitu, setelah mengalami dampak dari tetangga yang terbang dekat, planet ini cenderung kembali ke lintasan aslinya. Di hadapan gangguan yang kuat (lintasan benda besar pada jarak pendek), masalah gerak menjadi jauh lebih rumit dan tidak dapat diselesaikan secara analitis. perhitungan numerik menunjukkan bahwa dalam hal ini lintasan planet-planet berhenti menjadi elips dan mewakili kurva terbuka.

Menurut hukum ketiga Newton, ada gaya yang bekerja pada bintang dari sisi planet-planet. Dalam kasus M>>m, percepatan bintang sangat kecil dan dapat dianggap stasioner. Di hadapan dua benda dengan massa yang sepadan yang tertarik satu sama lain, gerakan gabungan yang stabil dalam orbit elips di sekitar pusat massa yang sama dimungkinkan. Jelas bahwa benda yang lebih masif bergerak di sepanjang orbit dengan radius yang lebih kecil. Dalam kasus planet bergerak mengelilingi bintang, efek ini hampir tidak terlihat. namun, di luar angkasa, ditemukan sistem yang membuat gerakan yang dijelaskan - bintang ganda. Perhitungan numerik gerakan planet-planet dalam sistem bintang biner menunjukkan bahwa orbitnya pada dasarnya tidak stasioner, jarak dari planet ke bintang bervariasi dengan cepat dalam rentang yang sangat luas. Pada saat yang sama, perubahan iklim yang cepat dan tak terelakkan di planet-planet membuatnya sangat bermasalah kemungkinannya evolusi biologis. Munculnya peradaban teknis di planet-planet sistem bintang biner bahkan lebih kecil kemungkinannya, karena gerakan non-periodik planet yang kompleks mengarah pada gerakan benda-benda yang dapat diamati pada "bola langit" yang sulit diuraikan, yang secara signifikan memperumit formulasi hukum Kepler dan, sebagai hasilnya, perkembangan mekanika klasik (Gbr. 6_2).

Struktur tata surya.

Diketahui bahwa sebagian besar tata surya (sekitar 99,8%) jatuh pada satu-satunya bintangnya, Matahari. Massa total planet hanya 0,13% dari total. Badan-badan sistem yang tersisa (komet, satelit planet, asteroid, dan materi meteorit) hanya menyumbang 0,0003% dari massa. Dari gambar di atas dapat disimpulkan bahwa hukum Kepler untuk pergerakan planet-planet dalam sistem kita harus dijalankan dengan sangat baik. Penyimpangan yang signifikan dari orbit elips dapat terjadi hanya dalam kasus penerbangan dekat (dibandingkan dengan jarak ke Matahari) melewati salah satu planet: Merkurius, Venus, Bumi, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus atau Pluto (ini adalah terutama berlaku untuk planet yang paling masif - Jupiter). Itu adalah pengamatan gangguan orbit Neptunus yang memungkinkan untuk memprediksi dan kemudian menemukan Pluto, planet paling jauh yang diketahui dalam sistem kita.

, adalah jari-jari orbit bumi. Tidak seperti hukum Kepler, hubungan (4) tidak mengikuti hukum Newton dengan cara apa pun dan belum menerima pembuktian teoritis, meskipun orbit semua planet yang dikenal saat ini dijelaskan secara memuaskan dengan rumus ini. Satu-satunya pengecualian adalah nilai n=3, di mana tidak ada planet dalam orbit yang dihitung. Sebaliknya, sabuk asteroid ditemukan - benda berbentuk tidak beraturan, kecil pada skala planet. hukum empiris, tidak didukung oleh teori yang tersedia, dapat bermain peran positif dalam studi, karena mereka juga mencerminkan realitas objektif (mungkin dalam bentuk yang tidak sepenuhnya akurat dan bahkan agak terdistorsi).

Hipotesis planet kelima yang sudah ada sebelumnya, Phaethon, hancur berkeping-keping oleh raksasa tarikan gravitasi tetangganya yang besar - Jupiter, bagaimanapun, analisis kuantitatif pergerakan planet raksasa menunjukkan ketidakkonsistenan asumsi ini. Rupanya, masalah yang disebutkan hanya dapat diselesaikan berdasarkan teori lengkap tentang asal usul dan evolusi planet-planet tata surya, yang belum ada. Sebuah teori yang sangat menarik tentang asal usul matahari dan planet-planet bersama dari satu awan gas, dikompresi di bawah pengaruh gaya gravitasi, bertentangan dengan distribusi momen rotasi (momentum) yang tidak merata yang diamati antara bintang dan planet-planet. Model-model asal usul planet-planet sebagai akibat dari penangkapan gravitasi Matahari terhadap benda-benda yang datang dari ruang angkasa yang jauh, efek-efek yang disebabkan oleh ledakan supernova dibahas. Dalam sebagian besar "skenario" perkembangan tata surya, keberadaan sabuk asteroid entah bagaimana dikaitkan dengan kedekatannya dengan planet paling masif dalam sistem tersebut.

Sifat-sifat planet tata surya yang saat ini diketahui memungkinkan kita untuk membaginya menjadi dua kelompok. Empat planet pertama dari kelompok terestrial dicirikan oleh massa yang relatif kecil dan kepadatan zat penyusunnya yang tinggi. Mereka terdiri dari inti besi cair yang dikelilingi oleh cangkang silikat - kulit kayu. Planet-planet memiliki atomosfer gas. Suhu mereka terutama ditentukan oleh jarak ke Matahari dan menurun dengan kenaikannya. Kelompok planet raksasa mulai dari Jupiter terutama terdiri dari unsur-unsur ringan (hidrogen dan helium), yang tekanannya di lapisan dalam meningkat hingga nilai yang sangat besar karena kompresi gravitasi. Akibatnya, saat mereka mendekati pusat, gas secara bertahap berubah menjadi cair dan, mungkin, menjadi padat. Diasumsikan bahwa di daerah pusat tekanannya sangat tinggi sehingga hidrogen ada dalam fase logam, yang belum pernah diamati di Bumi bahkan di bawah kondisi laboratorium. Planet-planet dari kelompok kedua memiliki sejumlah besar satelit. Di Saturnus, jumlah mereka sangat besar sehingga, dengan perbesaran yang tidak memadai, planet ini tampaknya dikelilingi oleh sistem cincin yang berkesinambungan (Gbr. 6_3).

Portal untuk siswa. Latihan mandiri

ARTIKEL TERKAIT