Dva najvýznamnejšie úspechy klasickej prírodnej vedy, založenej na newtonovskej mechanike, boli takmer vyčerpávajúci opis pozorovaného pohybu nebeských telies a vysvetlenie zákonov ideálneho plynu známych z experimentu.

Keplerove zákony. Spočiatku sa verilo, že Zem je nehybná a pohybuje sa nebeských telies sa zdalo veľmi ťažké. Galileo ako jeden z prvých naznačil, že naša planéta nie je výnimkou a tiež sa pohybuje okolo Slnka. Tento koncept sa stretol skôr s nevraživosťou. Tycho Brahe sa rozhodol nezúčastňovať diskusií, ale priamo merať súradnice telies nebeská sféra. Venoval tomu celý život, no zo svojich pozorovaní nielenže nevyvodil závery, ale výsledky ani nezverejnil. Neskôr sa Tychove údaje dostali ku Keplerovi, ktorý našiel jednoduché vysvetlenie pozorovaných zložitých trajektórií sformulovaním troch zákonov pohybu planét (a Zeme) okolo Slnka (obr. 6_1):

1. Planéty sa pohybujú po eliptických dráhach, v jednom z ohniskov ktorých je Slnko.

2. Rýchlosť planéty sa mení tak, že oblasti zametané jej vektorom polomeru pre rovnakých intervalochčasy sú rovnaké.

3. Obdobia revolúcie planét jednej slnečná sústava a hlavné poloosi ich obežných dráh sú spojené:

Komplexný pohyb planét na „nebeskej sfére“ pozorovaný zo Zeme podľa Keplera vznikol v dôsledku sčítania týchto planét na eliptických dráhach s pohybom pozorovateľa, ktorý spolu so Zemou orbitálny pohyb okolo Slnka a denná rotácia okolo osi planéty.

priamy dôkaz denná rotácia Zem bola Foucaultovým experimentom, v ktorom sa rovina oscilácie kyvadla otáčala vzhľadom na povrch rotujúcej Zeme.

Zákon gravitácie. Keplerove zákony dokonale popisovali pozorovaný pohyb planét, ale neodhalili dôvody vedúce k takémuto pohybu (napríklad by sa dalo dobre uvažovať, že dôvodom pohybu telies po keplerovských dráhach bola vôľa nejakého tvora alebo túžba samotných nebeských telies k harmónii). Newtonova teória gravitácie naznačila príčinu, ktorá určovala pohyb kozmických telies podľa Keplerovych zákonov, správne predpovedala a vysvetlila črty ich pohybu vo viac ťažké prípady, umožnili popísať mnohé javy v kozmickom a pozemskom meradle rovnakými pojmami (pohyb hviezd v galaktickej hviezdokope a pád jablka na povrch Zeme).

Newton našiel správny výraz pre Gravitačná sila vznikajúce interakciou dvoch bodových telies (teles, ktorých rozmery sú malé v porovnaní so vzdialenosťou medzi nimi):

(2)
,

čo spolu s druhým zákonom, ak je hmotnosť planéty m veľa menej hmoty hviezd M, viedol k diferenciálnej rovnici

(3)
,

pripustenie analytického riešenia. Čisto bez zapájania akýchkoľvek ďalších fyzických nápadov matematické metódy je módne ukázať, že za vhodných počiatočných podmienok (dostatočne malé počiatočná vzdialenosť k hviezde a rýchlosti planéty) kozmické telo sa bude otáčať pozdĺž uzavretá stabilná eliptická dráha v v plnom súhlase s Keplerovými zákonmi (konkrétne druhý Keplerov zákon je priamym dôsledkom zákona zachovania momentu hybnosti, ktorý sa napĺňa pri gravitačných interakciách, keďže moment sily (2) vzhľadom na hmotný stred je vždy nula). Pri dostatočne vysokej počiatočnej rýchlosti (jej hodnota závisí od hmotnosti hviezdy a počiatočná poloha) kozmické teleso sa pohybuje po hyperbolickej trajektórii, prípadne sa vzďaľuje od hviezdy do nekonečnej vzdialenosti.

Dôležitou vlastnosťou gravitačného zákona (2) je jeho zachovanie matematická forma kedy gravitačná interakcia bezbodové telesá v prípade sféricky symetrického rozloženia ich hmotností po objeme. V tomto prípade zohráva úlohu R vzdialenosť medzi stredmi týchto telies.

Pohyb nebeských telies v prítomnosti porúch. Presne povedané, Keplerove zákony sa napĺňajú presne len v prípade pohybu len jedného telesa v blízkosti druhého, čo má výrazne väčšia hmota za predpokladu, že tieto telesá sú guľovité. Pri menších odchýlkach od guľového tvaru (napríklad v dôsledku rotácie hviezdy sa môže trochu „sploštiť“) dráha planéty prestáva byť uzavretá a okolo hviezdy prechádza elipsa.

Ďalšou častou poruchou je gravitačný vplyv planéty jedného hviezdny systém Navzájom. Keplerianske obežné dráhy sú stabilné, pokiaľ ide o slabé poruchy, t. j. po tom, čo planéta zažila dopad blízko lietajúceho suseda, má tendenciu vrátiť sa na svoju pôvodnú trajektóriu. V prítomnosti silných porúch (prechod masívneho telesa na krátku vzdialenosť) sa problém pohybu stáva oveľa komplikovanejším a nedá sa vyriešiť analyticky. numerické výpočty ukazujú, že v tomto prípade trajektórie planét prestávajú byť elipsami a predstavujú otvorené krivky.

Podľa tretieho Newtonovho zákona na hviezdu pôsobí sila zo strany planét. V prípade M>>m je zrýchlenie hviezdy zanedbateľne malé a možno ju považovať za stacionárnu. V prítomnosti dvoch telies s úmernou hmotnosťou, ktoré sa navzájom priťahujú, ich stabilný spoločný pohyb po eliptických dráhach okolo spoločnej ťažisko . Je zrejmé, že po dráhe s menším polomerom sa pohybuje masívnejšie teleso. V prípade planét pohybujúcich sa okolo hviezdy je tento efekt sotva badateľný. vo vesmíre sa však našli systémy, ktoré robia opísaný pohyb - dvojité hviezdy . Numerický výpočet pohybu planét v dvojhviezdnom systéme ukazuje, že ich dráhy sú v podstate nestacionárne, vzdialenosť od planéty k hviezdam sa rýchlo mení vo veľmi širokom rozsahu. Nevyhnutné rýchla zmena klíma na planétach veľmi sťažuje možnosť biologickej evolúcie. Ešte menej pravdepodobný je vznik technických civilizácií na planétach systémov dvojité hviezdy keďže zložitý neperiodický pohyb planét vedie k ťažko dešifrovateľnému pozorovateľnému pohybu telies na „nebeskej sfére“, čo výrazne komplikuje formuláciu Keplerovych zákonov a v dôsledku toho aj vývoj klasickej mechaniky(obr. 6_2).

Štruktúra slnečnej sústavy. Je dobre známe, že väčšina slnečnej sústavy (asi 99,8 %) pripadá na jej jedinú hviezda - Slnko. Celková váha planét je len 0,13 % z celkového počtu. Na iných telesách systému (kométy, planetárne satelity, asteroidy a meteoritická látka) tvorí len 0,0003 % hmotnosti. Z vyššie uvedených obrázkov vyplýva, že Keplerove zákony pre pohyb planét v našej sústave sa musia vykonávať veľmi dobre. Výraznejšie odchýlky od eliptických dráh môžu nastať len v prípade blízkeho (v porovnaní so vzdialenosťou k Slnku) preletu jednej z planét: Merkúr, Venuša, Zem, Mars, Jupiter, Saturn, Urán, Neptún alebo Pluto (to je platí to najmä pre najhmotnejšiu z planét - Jupiter). Práve pozorovania porúch obežnej dráhy Neptúna umožnili predpovedať a následne objaviť Pluto – najvzdialenejšie z známe planéty náš systém.

Newtonov gravitačný zákon a Keplerove zákony umožňujú dať do súvislosti veľkosti dráh planét s periódami rotácie, ale samotné dráhy nám neumožňujú vypočítať. V 18. storočí bol navrhnutý empirický vzorec pre polomery obežných dráh planét slnečnej sústavy:

kde je polomer obežnej dráhy Zeme. Na rozdiel od Keplerovych zákonov vzťah (4) nijako nevyplýva z Newtonových zákonov a zatiaľ nedostal teoretické opodstatnenie, hoci obežné dráhy všetkých v súčasnosti známych planét sú týmto vzorcom uspokojivo opísané. Jedinou výnimkou je hodnota n=3, pre ktorú sa na vypočítanej obežnej dráhe nenachádza žiadna planéta. Namiesto toho sa to našlo pás asteroidov - malé telesá v planetárnom meradle nepravidelný tvar. Empirické zákony, ktoré nie sú podporované existujúcou teóriou, môžu hrať pozitívnu úlohu vo výskume, pretože sa tiež odrážajú objektívna realita(možno nie celkom presné a dokonca trochu skreslené).

Hypotéza už existujúcej piatej planéty Phaethon sa však zdala atraktívna, zničená na kusy obrovskou gravitačnou príťažlivosťou jej masívneho suseda Jupitera. kvantitatívna analýza pohyb planéty - obr ukázal zlyhanie tohto predpokladu. Zrejme sa dá spomínaný problém vyriešiť len na základe úplnej teórie vzniku a vývoja planét slnečnej sústavy, ktorá zatiaľ neexistuje. Veľmi atraktívna teória spoločného pôvodu Slnka a planét z jedného oblaku plynu, stlačeného pôsobením o gravitačné sily, je v rozpore s pozorovaným nerovnomerným rozdelením krútiaci moment(hybnosť) medzi hviezdou a planétami. Diskutuje sa o modeloch vzniku planét v dôsledku gravitačného zachytenia telies prichádzajúcich zo vzdialeného vesmíru Slnkom, o účinkoch spôsobených výbuchom supernov. Vo väčšine „scenárov“ vývoja slnečnej sústavy je existencia pásu asteroidov nejako spojená s jeho tesnou blízkosťou k masívna planéta systémov.

V súčasnosti známe vlastnosti planét slnečnej sústavy nám umožňujú rozdeliť ich do dvoch skupín. Prvé štyri planéty terestriálnej skupiny charakterizované relatívne malými hmotnosťami a vysoké hustoty látky, ktoré ich tvoria. Pozostávajú z roztaveného železného jadra obklopeného silikátovým plášťom – kôrou. Planéty majú plynné atomosféry. Ich teploty sú určené najmä vzdialenosťou od Slnka a s jej nárastom klesajú. Počnúc Jupiterom skupina obrovských planét pozostáva prevažne z ľahkých prvkov (vodík a hélium), ktorých tlak v vnútorné vrstvy sa zvyšuje na obrovské hodnoty v dôsledku gravitačnej kompresie. Výsledkom je, že plyny pri približovaní sa k stredu postupne prechádzajú do kvapaliny a prípadne do pevného skupenstva. Predpokladá sa, že v centrálnych regiónoch tlak je taký veľký, že v ňom existuje vodík kovová fáza, ktorý zatiaľ nebol na Zemi pozorovaný ani v laboratórnych podmienkach. Planéty druhej skupiny majú veľký počet satelitov. Pri Saturne je ich počet taký veľký, že pri nedostatočnom zväčšení sa zdá, že planétu obklopuje sústava súvislých prstencov (obr. 6_3).

Problém existencie života na iných planétach stále vzbudzuje zvýšený záujem o blízke vedecké oblasti. V súčasnosti možno s dostatočnou istotou konštatovať, že v proteínových formách, ktoré sú známe modernej vede, život na planétach slnečnej sústavy (samozrejme s výnimkou Zeme) neexistuje. Dôvodom je predovšetkým malý rozsah fyzikálno-chemických podmienok, ktoré umožňujú existenciu organické molekuly a priebeh životne dôležitých chemických reakcií s ich účasťou (nie príliš vysoká a nízke teplotyúzky rozsah tlaku, prítomnosť kyslíka atď.). Jedinou planétou okrem Zeme, ktorej podmienky jednoznačne neodporujú možnosti existencie proteínového života, je Mars. Dostatočne podrobné štúdie o jeho použití povrchu medziplanetárne stanice„Mars“, „Marioner“ a „Viking“ ukázali, že na týchto planétach neexistuje život ani vo forme mikroorganizmov (obr. 6_4).

Pokiaľ ide o otázku existencie neproteínových foriem mimozemského života, jej vážnej diskusii by mala predchádzať striktná formulácia čo najvšeobecnejšieho konceptu života, no tento problém zatiaľ nedostal všeobecne akceptované uspokojivé riešenie. (Človek má dojem, že objavenie foriem života výrazne odlišných od našej bežnej predstavivosti vôbec nemusí vzbudiť u nevedeckej verejnosti badateľný záujem. Nie je veľmi ťažké predstaviť si vznik počítačových vírusov, ktoré sa dokážu replikovať v siete a môžu sa vyvíjať, je oveľa ťažšie predstaviť si na to reakciu v spoločnosti, okrem otravovania používateľov, ktorí prišli o programy).

O povahe gravitačných síl. Newtonov zákon gravitácia odkazuje na základné zákony klasická prírodná veda. Metodologickou slabinou Newtonovho konceptu bolo jeho odmietnutie diskutovať o mechanizmoch vedúcich k vzniku gravitačných síl („Nevymýšľam hypotézy“). Po Newtonovi sa opakovane pokúšali vytvoriť teóriu gravitácie. Prevažná väčšina prístupov je spojená s tzv hydrodynamické gravitačné modely , ktorí sa snažia vysvetliť vznik gravitačných síl mechanickými interakciami masívnych telies s intermediárnou látkou, ktorej sa pripisuje ten či onen názov: „éter“, „prúd gravitácie“, „vákuum“ atď. Príťažlivosť medzi telesami vzniká v dôsledku riedenia média, ku ktorému dochádza buď vtedy, keď je pohlcované masívnymi telesami, alebo keď clonia jeho toky. Všetky tieto teórie majú spoločnú významnú nevýhodu: správne predpovedanie závislosti sily od vzdialenosti (2) nevyhnutne vedie k ešte jednému nepozorovateľnému efektu: spomaleniu pohybu telies vzhľadom na zavádzanú látku.

Významný nový krok vo vývoji konceptu gravitačnej interakcie urobil A. Einstein, ktorý vytvoril všeobecná relativita .

Všetky kozmogonické hypotézy možno rozdeliť do niekoľkých skupín. Podľa jedného z nich Slnko a všetky telesá slnečnej sústavy: planéty, satelity, asteroidy, kométy a meteoroidy - vznikli z jedného oblaku plynu a prachu alebo prachového oblaku. Podľa druhého má Slnko a jeho rodina rôzneho pôvodu, takže Slnko vzniklo z jedného oblaku plynu a prachu (hmlovín, guľôčok) a zvyšok nebeských telies Slnečnej sústavy - z iného oblaku, ktorý nejakým nie celkom jasným spôsobom zachytilo Slnko na svoju dráhu. a v niektorých sa oddelili, pre mnohých ešte viac nepochopiteľným spôsobom rôzne telá(planéty, ich satelity, asteroidy, kométy a meteoroidy), ktoré majú najviac rôzne vlastnosti: hmotnosť, hustota, excentricita, smer obežnej dráhy a smer otáčania okolo svojej osi, sklon obežnej dráhy k rovine rovníka (alebo ekliptiky) Slnka a sklon roviny rovníka k rovine jeho obežná dráha.
deväť veľké planéty sa točia okolo Slnka v elipsách (trochu odlišných od kružníc) v takmer rovnakej rovine. V poradí podľa vzdialenosti od Slnka sú to tieto Merkúr, Venuša, Zem, Mars, Jupiter, Saturn, Urán, Neptún a Pluto. Okrem nich je v slnečnej sústave množstvo malých planét (asteroidov), z ktorých väčšina sa pohybuje medzi dráhami Marsu a Jupitera. Priestor medzi planétami je vyplnený extrémne riedkym plynom a vesmírny prach. Je prerazený elektromagnetickým žiarením.
Slnko 109-krát viac zeme v priemere a asi 333 000-krát hmotnejší ako Zem. Hmotnosť všetkých planét je len asi 0,1% hmotnosti Slnka, takže silou svojej príťažlivosti riadi pohyb všetkých členov slnečnej sústavy.

Konfigurácia a podmienky viditeľnosti planét

Konfigurácie planét sa nazývajú charakteristické vzájomné dojednania planéty, zem a slnko.
Podmienky viditeľnosti planét zo Zeme sa výrazne líšia pre vnútorné planéty (Venuša a Merkúr), ktorých obežné dráhy ležia vo vnútri obežnej dráhy Zeme, a pre vonkajšie planéty (všetky ostatné).
Vnútorná planéta môže byť medzi Zemou a Slnkom alebo za Slnkom. V takýchto polohách je planéta neviditeľná, keďže sa stráca v lúčoch Slnka. Tieto polohy sa nazývajú konjunkcie planéty so Slnkom. Pri nižšej konjunkcii je planéta najbližšie k Zemi a pri vyššej konjunkcii je od nás najďalej.

Synodické obdobia planetárnej revolúcie a ich vzťah k hviezdnym obdobiam

Obdobie revolúcie planét okolo Slnka vo vzťahu k hviezdam sa nazýva hviezdne alebo hviezdne obdobie.
Ako bližšia planéta k Slnku, tým viac je jeho lineárna a uhlová rýchlosť a kratšie hviezdne obdobie revolúcie okolo Slnka.
Z priamych pozorovaní sa však neurčuje hviezdna perióda revolúcie planéty, ale časový interval, ktorý plynie medzi jej dvoma po sebe nasledujúcimi rovnomennými konfiguráciami, napr. sériové pripojenia(opozície). Toto obdobie sa nazýva synodické obdobie. Po určení synodických období z pozorovaní sa výpočtom zistia hviezdne obdobia planét.
Synodické obdobie vonkajšej planéty je časové obdobie, po ktorom Zem predbehne planétu o 360°, keď sa pohybujú okolo Slnka.

Keplerove zákony

Zásluha objavenia zákonitostí pohybu planét patrí vynikajúcemu nemeckému vedcovi Johannes Kepler(1571 - 1630). AT začiatkom XVII v. Kepler, ktorý študoval obeh Marsu okolo Slnka, stanovil tri zákony pohybu planét.

Keplerov prvý zákon . Každá planéta sa točí po elipse so Slnkom v jednom zo svojich ohnísk.

Druhý Keplerov zákon (právo oblastí). Vektor polomeru planéty pre rovnaké časové intervaly opisuje rovnaké oblasti.

Tretí Keplerov zákon . Štvorce hviezdnych období planét sú vo vzťahu ako kocky hlavných polosí ich obežných dráh.

Priemernú vzdialenosť všetkých planét od Slnka v astronomických jednotkách možno vypočítať pomocou tretieho Keplerovho zákona. Po určení priemernej vzdialenosti Zeme od Slnka (t.j. hodnota 1 AU) v kilometroch možno v týchto jednotkách nájsť vzdialenosti ku všetkým planétam slnečnej sústavy. Hlavná poloos zemskej dráhy je braný ako astronomická jednotka vzdialenosti (=1 a.e.)
Klasickou metódou na určovanie vzdialeností bola a zostáva goniometrická geometrická metóda. Určujú vzdialenosti k vzdialeným hviezdam, na ktoré sa radarová metóda nedá použiť. Geometrická metóda je založená na jave posun paralaxy.

Paralaktické posunutie je zmena smeru k objektu, keď sa pozorovateľ pohybuje..

PRÍKLAD RIEŠENIA PROBLÉMU

Úloha. Opozície niektorej planéty sa opakujú za 2 roky. Aká je hlavná poloos jeho obežnej dráhy?

Dané	ROZHODNUTIE Hlavná poloos obežnej dráhy môže byť určená z tretieho Keplerovho zákona: , a hviezdne obdobie - z pomeru medzi hviezdnym a synodickým obdobím: ,
- ?

Veľkosť a tvar zeme

Na fotografiách z vesmíru vyzerá Zem ako guľa osvetlená Slnkom.
Je uvedená presná odpoveď o tvare a veľkosti Zeme stupňové merania t.j. merania v kilometroch dĺžky oblúka 1° na rôznych miestach povrchu Zeme. Merania stupňov ukázali, že dĺžka 1° oblúka poludníka v kilometroch v polárnej oblasti je najväčšia (111,7 km) a najmenšia na rovníku (110,6 km). Preto je na rovníku zakrivenie zemského povrchu väčšie ako na póloch, čo naznačuje, že Zem nie je guľa. Rovníkový polomer Zeme je väčší ako polárny o 21,4 km. Preto je Zem (podobne ako iné planéty) v dôsledku rotácie stlačená na póloch.
Lopta, ktorá má rovnakú veľkosť ako naša planéta, má polomer 6370 km. Táto hodnota sa považuje za polomer Zeme.
Uhol, pod ktorým je polomer Zeme videný kolmo na priamku pohľadu, sa nazýva horizontálna paralaxa.

Hmotnosť a hustota Zeme

Zákon univerzálnej gravitácie vám umožňuje určiť jeden z najdôležitejšie vlastnosti nebeské telesá - hmotnosť, najmä hmotnosť našej planéty. Skutočne, na základe zákona univerzálnej gravitácie, zrýchlenie voľný pád g=(G*M)/r2. Preto, ak sú známe hodnoty zrýchlenia voľného pádu, gravitačnej konštanty a polomeru Zeme, potom je možné určiť jej hmotnosť.
Nahrádzanie v špecifikovaný vzorec hodnota g \u003d 9,8 m / s 2, G \u003d 6,67 * 10 -11 N * m 2 / kg 2,

R \u003d 6370 km, zistíme, že hmotnosť Zeme je M \u003d 6 x 10 24 kg. Keď poznáme hmotnosť a objem Zeme, môžeme vypočítať jej priemernú hustotu.

Od staroveku ľudia pozorovali na oblohe také javy, ako je zjavná rotácia hviezdnej oblohy, zmena fáz mesiaca, východ a západ slnka. nebeských telies, zdanlivý pohyb Slnka po oblohe počas dňa, zatmenia Slnka, zmena výšky Slnka nad obzorom v priebehu roka, zatmenia Mesiaca. Bolo jasné, že všetky tieto javy sú spojené predovšetkým s pohybom nebeských telies, ktorých povahu sa ľudia snažili opísať pomocou jednoduchých vizuálnych pozorovaní, správne pochopenie a ktorého vysvetlenie sa v priebehu storočí vyvíjalo.

najprv písomné referencie o nebeských telesách vznikli v staroveký Egypt a Sumer. Starovekí ľudia rozlišovali tri typy tiel na nebeskej klenbe: hviezdy, planéty a „hviezdy s chvostom“. Rozdiely pochádzajú len z pozorovaní: Hviezdy zostávajú pomerne dlho nehybné voči iným hviezdam. Preto sa verilo, že hviezdy sú „upevnené“ na nebeskej sfére. Ako už vieme, vďaka rotácii Zeme každá hviezda „kreslí“ na oblohu kruh.

Planéty sa naopak pohybujú po oblohe a ich pohyb je viditeľný voľným okom do hodiny alebo dvoch. Aj v Sumeri sa našlo a identifikovalo 5 planét: Merkúr, Venuša, Mars, Jupiter, Saturn. K nim sa do kopy pridalo aj Slnko a Mesiac. Celkom: 7 planét. "Chvostové" hviezdy kométy. Objavoval sa zriedkavo, symbolizoval problémy.

Keplerove zákony I. Každá planéta sa pohybuje po elipse so Slnkom v jednom zo svojich ohnísk. II.(zákon rovnaké oblasti). Vektor polomeru planéty opisuje rovnaké oblasti v rovnakých časových intervaloch. III. Druhé mocniny periód rotácií planét okolo Slnka sú úmerné tretím mocničkám hlavných poloosí ich eliptických dráh. Tri zákony pohybu planét vo vzťahu k Slnku empiricky odvodil nemecký astronóm Johannes Kepler na začiatku 17. storočia. To sa podarilo vďaka dlhoročným pozorovaniam dánskeho astronóma Tycha Braheho.

Najjednoduchšie viditeľný pohyb planét a Slnka je opísaný v referenčnom rámci spojenom so Slnkom. Tento prístup bol tzv heliocentrický systém svete a navrhol ho poľský astronóm Mikuláš Kopernik (). AT staroveku a až po Koperníka sa verilo, že Zem sa nachádza v strede vesmíru a všetky nebeské telesá sa okolo nej otáčajú po zložitých trajektóriách. Tento systém sveta sa nazýva geocentrický systém sveta.

Po uznaní revolučného heliocentrického systému sveta Koperníka, po tom, čo Kepler sformuloval tri zákony pohybu nebeských telies a zničil stáročné naivné predstavy o jednoduchom kruhový objazd planét okolo Zeme, výpočtami a pozorovaniami dokázané, že dráhy pohybu nebeských telies môžu byť len elipsovité, napokon vysvitlo, že zdanlivý pohyb planét pozostáva z: pohybu pozorovateľa na povrchu Zeme; rotácia Zeme okolo Slnka vlastné pohyby nebeských telies

Komplexný zdanlivý pohyb planét v nebeskej sfére je spôsobený rotáciou planét slnečnej sústavy okolo Slnka. Samotné slovo „planéta“ v starej gréčtine znamená „túlanie“ alebo „tulák“. Dráha nebeského telesa sa nazýva jeho dráha. Rýchlosti planét na ich dráhach klesajú so vzdialenosťou planét od Slnka. Povaha pohybu planéty závisí od toho, do ktorej skupiny patrí. Preto sa planéty vo vzťahu k dráhe a podmienkam viditeľnosti zo Zeme delia na vnútorné (Merkúr, Venuša) a vonkajšie (Mars, Saturn, Jupiter, Urán, Neptún, Pluto), resp. obežnej dráhy Zeme, na dolnú a hornú.

Vonkajšie planéty sú vždy otočené k Zemi stranou osvetlenou Slnkom. Vnútorné planéty menia svoje fázy ako Mesiac. Najväčšia uhlová vzdialenosť planéty od Slnka sa nazýva elongácia. Najväčšie predĺženie pri Merkúre je 28°, pri Venuši - 48°. Pri východnom predĺžení vnútorná planéta viditeľné na západe, v lúčoch večerného úsvitu, krátko po západe slnka. Večerné (východné) predĺženie Merkúra Počas západného predĺženia je vnútorná planéta viditeľná na východe, v lúčoch úsvitu, krátko pred východom Slnka. Vonkajšie planéty môžu byť v akejkoľvek uhlovej vzdialenosti od Slnka.

Fázový uhol planéty sa nazýva uhol medzi lúčom svetla dopadajúceho zo Slnka na planétu a lúčom odrazeným od nej smerom k pozorovateľovi. Fázové uhly Merkúra a Venuše sa menia od 0° do 180°, takže Merkúr a Venuša menia fázy rovnako ako Mesiac. V blízkosti nižšej konjunkcie majú obe planéty najväčšie uhlové rozmery, ale vyzerajú ako úzke polmesiace. Pri fázovom uhle ψ = 90° je osvetlená polovica disku planét, fáza φ = 0,5. V nadradenej konjunkcii sú nižšie planéty plne osvetlené, ale sú zle viditeľné zo Zeme, keďže sú za Slnkom.

Keďže pri pozorovaniach zo Zeme sa pohyb planét okolo Slnka prekrýva aj s pohybom Zeme na jej obežnej dráhe, planéty sa pohybujú po oblohe z východu na západ ( priamy pohyb), potom zo západu na východ ( backtracking). Okamihy zmeny smeru sa nazývajú zastávky. Ak umiestnite túto cestu na mapu, získate slučku. Veľkosť slučky je tým menšia, čím väčšia je vzdialenosť medzi planétou a Zemou. Planéty opisujú slučky a nielen pohyb tam a späť v jednej línii, len kvôli skutočnosti, že roviny ich obežných dráh sa nezhodujú s rovinou ekliptiky. Takýto zložitý charakter podobný slučke bol prvýkrát zaznamenaný a opísaný na príklade zdanlivého pohybu Venuše.

Je známym faktom, že pohyb určitých planét je možné pozorovať zo Zeme prísne určitý čas roku, je to spôsobené ich polohou v čase na hviezdnej oblohe. Charakteristické vzájomné usporiadania planét voči Slnku a Zemi sa nazývajú planetárne konfigurácie. Vnútorné a vonkajšie planéty sú rôzne: pre nižšie planéty sú to konjunkcie a predĺženia (najväčšia uhlová odchýlka dráhy planéty od dráhy Slnka), pre vyššie planéty sú to kvadratúry, konjunkcie a opozície.

Ak je T Zem, P 1 vnútorná planéta, S Slnko, nebeská konjunkcia sa nazýva dolná konjunkcia. V „ideálnej“ dolnej konjunkcii prechádza Merkúr alebo Venuša cez disk Slnka. Ak je T Zem, S Slnko, P 1 Merkúr alebo Venuša, jav sa nazýva horná konjunkcia. V „ideálnom“ prípade je planéta pokrytá Slnkom, ktoré, samozrejme, nemožno pozorovať pre neporovnateľný rozdiel v jasnosti hviezd. Pre systém Zem-Mesiac-Slnko nastáva nový mesiac v dolnej konjunkcii a spln v hornej.

Merkúr a Venuša sa pri svojom pohybe v nebeskej sfére nikdy nevzdialia od Slnka (Merkúr nie je ďalej ako 18° 28°; Venuša nie je ďalej ako 45° 48°) a môžu byť buď na východ, alebo na západ od to. Okamih najväčšieho uhlového odsunu planéty na východ od Slnka sa nazýva východné alebo večerné predĺženie; na západ západnou alebo rannou elongáciou.

Predstavme si pojmy špecifické fyzikálnych veličín charakterizujúce pohyb planét a umožňujúce niektoré výpočty: plný obrat okolo Slnka vo vzťahu ku hviezdam. Synodické obdobie rotácie planéty je časový interval S medzi dvoma po sebe nasledujúcimi konfiguráciami rovnakého mena.

Použitá literatúra: Použitá literatúra: 1) D. Ya Myakishev, B. V. Bukhovtsev. Fyzika 11. ročník: učebnica. pre všeobecné vzdelanie inštitúcie 2) Internetové zdroje: planéta/ strana1.html

Od antiky do 15. storočia. Verilo sa, že Zem je nehybná a je v strede vesmíru. N. Copernicus a G. Galileo boli medzi prvými v modernej dobe, ktorí vyjadrili myšlienku, že naša planéta sa točí okolo Slnka. Tento koncept sa stretol skôr s nevraživosťou: Galileo bol dokonca pod nátlakom cirkvi nútený ho verejne opustiť. Veľký význam pre budúci objav pohybových zákonov boli pozorovania T. Brahe, ktorý tomu zasvätil celý svoj život.

Zo svojich pozorovaní však nevyvodil žiadne závery. Neskôr sa diela T. Braheho dostali k I. Keplerovi, ktorý našiel jednoduché vysvetlenie pozorovaných zložitých trajektórií, formulujúcich tri zákony pohybu planét okolo Slnka:

Planéty sa pohybujú po eliptických dráhach okolo Slnka;
planéty sa pohybujú nerovnomerne ďalej planétu je od Slnka, tým pomalšie sa pohybuje a naopak: čím je bližšie k Slnku, tým rýchlejšie sa pohybuje;
periódy otáčania planét okolo Slnka závisia od ich vzdialenosti od neho: viac vzdialené planéty pohybovať pomalšie ako tie, ktoré sú bližšie k slnku.

Keplerove zákony popisovali pozorovaný pohyb planét, ale neodhalili príčiny vedúce k takémuto pohybu. Gravitačná teória I. Newtona naznačila príčinu, ktorá určovala pohyb kozmických telies podľa Keplerovych zákonov, správne predpovedala a vysvetlila črty ich pohybu a umožnila aj popísať javy v kozmickom a pozemskom meradle rovnakými termínmi. Newton našiel správny výraz pre gravitačnú silu vznikajúcu pri interakcii telies, keď sformuloval zákon univerzálnej gravitácie: medzi akýmikoľvek dvoma telesami existuje príťažlivá sila úmerná súčinu ich hmotností a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi. .

Keplerove zákony sú splnené presne len v prípade pohybu jedného telesa v blízkosti druhého, ktoré má oveľa väčšiu hmotnosť, a to za podmienky, že tieto telesá sú guľovité. Dokonca aj s malými odchýlkami od guľového tvaru je obežná dráha planéty elipsa prechádzajúca okolo hviezdy. Rýchlosť precesie sa dá pomerne presne vypočítať na základe Newtonových zákonov a ukazuje sa ako maximálna pre planétu najbližšie k Slnku – Merkúr.

Podľa tretieho Newtonovho zákona na hviezdu pôsobí sila zo strany planéty. V prípade, že hmotnosť hviezdy je oveľa väčšia ako hmotnosť planéty, zrýchlenie hviezdy je zanedbateľné a možno ju považovať za stacionárnu. Avšak v prítomnosti tiel s úmernou hmotnosťou, ktoré sa navzájom priťahujú, je možný ich stabilný spoločný pohyb. spoločné centrum hmotn. V prípade pohybu planét okolo hviezdy je tento efekt sotva badateľný, vo vesmíre však boli objavené systémy, ktoré vykonávajú popísaný pohyb, dvojhviezdy.

Väčšina slnečnej sústavy - asi 99,8% - dopadá na Slnko. Celková hmotnosť planét je len 0,13 %. Celková váha slnečná sústava. Z týchto čísel vyplýva, že Keplerove zákony pre pohyb planét v našej sústave treba veľmi dobre dodržiavať. K výraznejším odchýlkam od eliptických dráh môže dôjsť len v prípade blízkeho preletu jednej z planét: Merkúra, Venuše, Zeme, Marsu, Jupitera, Saturnu, Uránu či Neptúna.

Newtonov gravitačný zákon a Keplerove zákony umožňujú dať do súvislosti veľkosti dráh planét s periódami rotácie, ale samotné dráhy nám neumožňujú vypočítať. Späť v 18. storočí bol navrhnutý vzorec pre polomery obežných dráh planét slnečnej sústavy: R n = (0,4 + 0,3 x 2 n) x R o, kde n = 0, 1, 2, 3...; R o - polomer obežnej dráhy Zeme. Na rozdiel od Keplerovych zákonov tento pomer nijako nevyplýva z Newtonových zákonov a zatiaľ nedostal žiadne teoretické vysvetlenie. Je možné, že tento pomer je náhoda. Dráhy dnes známych planét však uspokojivo popisuje tento vzorec. Jedinou výnimkou je hodnota n = 3, pre ktorú sa na vypočítanej dráhe nenachádza žiadna planéta. Namiesto toho bol objavený pás asteroidov - nepravidelne tvarované telesá, malé v planetárnom meradle.

Problém vývoja slnečnej sústavy. V súčasnosti neexistuje žiadna overená teória vývoja slnečnej sústavy. Veľmi atraktívna teória spoločného vzniku Slnka a planét z jedného oblaku plynu, stlačeného pôsobením gravitačných síl, je v rozpore s pozorovaným nerovnomerným rozložením rotačného momentu medzi hviezdou a planétami. Diskutuje sa o modeloch vzniku planét v dôsledku gravitačného zachytenia telies prichádzajúcich zo vzdialeného vesmíru Slnkom.

V súčasnosti známe vlastnosti planét slnečnej sústavy nám umožňujú rozdeliť ich do dvoch skupín. Prvé štyri planéty terestriálnej skupiny sa vyznačujú relatívne malými hmotnosťami a vysokou hustotou ich základných látok. Pozostávajú z roztaveného železného jadra obklopeného silikátovým plášťom – kôrou. Planéty majú plynné atmosféry. Ich teploty sú určené najmä vzdialenosťou od Slnka a s jej nárastom klesajú. Počnúc Jupiterom je skupina obrovských planét zložená najmä z ľahkých prvkov - vodíka a hélia. Ako sa blížia k stredu planéty, vodík a hélium postupne prechádzajú z plynného do kvapalného a pevného skupenstva.

Predpokladá sa, že v centrálnych oblastiach je taký vysoký tlak, že vodík existuje v kovovej fáze, čo na Zemi ešte nebolo pozorované ani v laboratórnych podmienkach. Planéty druhej skupiny majú Vysoké číslo satelitov. Saturn ich má taký veľký počet, že pri nedostatočnom zväčšení sa zdá, že planétu obklopuje sústava súvislých prstencov.

Dva najvýznamnejšie úspechy klasickej prírodnej vedy, založenej na newtonovskej mechanike, boli takmer vyčerpávajúci opis pozorovaného pohybu nebeských telies a vysvetlenie zákonov ideálneho plynu známych z experimentu.

Keplerove zákony.

Spočiatku sa verilo, že Zem je nehybná a pohyb nebeských telies sa zdal veľmi komplikovaný. Galileo ako jeden z prvých naznačil, že naša planéta nie je výnimkou a tiež sa pohybuje okolo Slnka. Tento koncept sa stretol skôr s nevraživosťou. Tycho Brahe sa rozhodol nezúčastniť diskusií, ale vykonať priame merania súradníc telies na nebeskej sfére. Venoval tomu celý život, no zo svojich pozorovaní nielenže nevyvodil závery, ale výsledky ani nezverejnil. Neskôr sa Tychove údaje dostali ku Keplerovi, ktorý našiel jednoduché vysvetlenie pozorovaných zložitých trajektórií sformulovaním troch zákonov pohybu planét (a Zeme) okolo Slnka (obr. 6_1):

1. Planéty sa pohybujú po eliptických dráhach, v jednom z ohniskov ktorých je Slnko.

2. Rýchlosť planéty sa mení tak, že oblasti, ktoré prechádza jej vektorom polomeru počas rovnakých časových úsekov, sú rovnaké.

3. Obdobia revolúcie planét jednej slnečnej sústavy a veľké nápravové hriadele ich obežné dráhy súvisia:

.

Komplexný pohyb planét na „nebeskej sfére“ pozorovaný zo Zeme podľa Keplera vznikol v dôsledku pridania týchto planét na eliptické dráhy s pohybom pozorovateľa, ktorý spolu so Zemou vykonáva obežnú dráhu. pohyb okolo Slnka a denná rotácia okolo osi planéty.

Priamym dôkazom dennej rotácie Zeme bol experiment nastavený Foucaultom, pri ktorom sa rovina kmitania kyvadla otáčala vzhľadom na povrch rotujúcej Zeme.

Zákon univerzálnej gravitácie.

Keplerove zákony dokonale popisovali pozorovaný pohyb planét, ale neodhalili dôvody vedúce k takémuto pohybu (napríklad by sa dalo dobre uvažovať, že dôvodom pohybu telies po keplerovských dráhach bola vôľa nejakého tvora alebo túžba samotných nebeských telies k harmónii). Newtonova teória gravitácie naznačila príčinu, ktorá určovala pohyb kozmických telies podľa Keplerovych zákonov, správne predpovedala a vysvetlila črty ich pohybu v zložitejších prípadoch, umožnila popísať mnohé javy v kozmickom a pozemskom meradle rovnakými termínmi. (pohyb hviezd v galaktickej hviezdokope a pád jablka na povrch Zeme) .

Newton našiel správny výraz pre gravitačnú silu vznikajúcu pri interakcii dvoch bodových telies (teles, ktorých rozmery sú malé v porovnaní so vzdialenosťou medzi nimi):

,

čo spolu s druhým zákonom, ak je hmotnosť planéty m oveľa menšia ako hmotnosť hviezdy M, viedlo k diferenciálnej rovnici

,

pripustenie analytického riešenia. Bez zapojenia akýchkoľvek ďalších fyzické predstavy, je v móde ukazovať čisto matematickými metódami, že za vhodných počiatočných podmienok (dostatočne malá počiatočná vzdialenosť k hviezde a rýchlosť planéty) bude kozmické teleso rotovať po uzavretej stabilnej eliptickej dráhe plne v súlade s Keplerovými zákonmi ( najmä druhý Keplerov zákon je priamym dôsledkom zákona zachovania momentu hybnosti, ktorý sa napĺňa pri gravitačných interakciách, keďže moment sily (2) voči masívnemu stredu je vždy rovný nule. Pri dostatočne vysokej počiatočná rýchlosť(jej hodnota závisí od hmotnosti hviezdy a počiatočnej polohy) sa kozmické teleso pohybuje po hyperbolickej trajektórii, prípadne sa vzďaľuje od hviezdy do nekonečnej vzdialenosti.

Dôležitou vlastnosťou gravitačného zákona (2) je zachovanie jeho matematického tvaru v prípade gravitačnej interakcie nebodových telies v prípade sféricky symetrického rozloženia ich hmotností po objeme. V tomto prípade zohráva úlohu R vzdialenosť medzi stredmi týchto telies.

Pohyb nebeských telies v prítomnosti porúch. Presne povedané, Keplerove zákony sú splnené presne len v prípade pohybu iba jedného telesa v blízkosti druhého, ktoré má oveľa väčšiu hmotnosť, za predpokladu, že tieto telesá sú guľovité. Pri menších odchýlkach od guľového tvaru (napríklad v dôsledku rotácie hviezdy sa môže trochu „sploštiť“) dráha planéty prestáva byť uzavretá a okolo hviezdy prechádza elipsa.

Ďalšou častou poruchou je gravitačný vplyv planét jedného hviezdneho systému na seba. Keplerianske obežné dráhy sú stabilné, pokiaľ ide o slabé poruchy, t. j. po tom, čo planéta zažila dopad blízko lietajúceho suseda, má tendenciu vrátiť sa na svoju pôvodnú trajektóriu. V prítomnosti silných porúch (prechod masívneho telesa na krátku vzdialenosť) sa problém pohybu stáva oveľa komplikovanejším a nedá sa vyriešiť analyticky. numerické výpočty ukazujú, že v tomto prípade trajektórie planét prestávajú byť elipsami a predstavujú otvorené krivky.

Podľa tretieho Newtonovho zákona na hviezdu pôsobí sila zo strany planét. V prípade M>>m je zrýchlenie hviezdy zanedbateľne malé a možno ju považovať za stacionárnu. V prítomnosti dvoch telies s úmernou hmotnosťou, ktoré sa navzájom priťahujú, je možný ich stabilný spoločný pohyb po eliptických dráhach okolo spoločného ťažiska. Je zrejmé, že po dráhe s menším polomerom sa pohybuje masívnejšie teleso. V prípade planét pohybujúcich sa okolo hviezdy je tento efekt sotva badateľný. vo vesmíre sa však našli systémy, ktoré robia opísaný pohyb – dvojhviezdy. Numerický výpočet pohybu planét v dvojhviezdnom systéme ukazuje, že ich dráhy sú v podstate nestacionárne, vzdialenosť od planéty k hviezdam sa rýchlo mení vo veľmi širokom rozsahu. Nevyhnutná rýchla zmena klímy na planétach túto možnosť zároveň veľmi sťažuje biologická evolúcia. Vznik technických civilizácií na planétach binárnych hviezdnych systémov je ešte menej pravdepodobný, pretože zložitý neperiodický pohyb planét vedie k pozorovateľnému pohybu telies na „nebeskej sfére“, ktorý je ťažké dešifrovať, čo výrazne komplikuje formuláciu. Keplerovych zákonov a v dôsledku toho rozvoj klasickej mechaniky (obr. 6_2).

Štruktúra slnečnej sústavy.

Je dobre známe, že väčšina slnečnej sústavy (asi 99,8 %) dopadá na jej jedinú hviezdu, Slnko. Celková hmotnosť planét je len 0,13 % z celku. Zvyšné telesá systému (kométy, planetárne satelity, asteroidy a meteoritická hmota) tvoria iba 0,0003 % hmotnosti. Z vyššie uvedených obrázkov vyplýva, že Keplerove zákony pre pohyb planét v našej sústave sa musia vykonávať veľmi dobre. Výraznejšie odchýlky od eliptických dráh môžu nastať len v prípade blízkeho (v porovnaní so vzdialenosťou k Slnku) preletu jednej z planét: Merkúr, Venuša, Zem, Mars, Jupiter, Saturn, Urán, Neptún alebo Pluto (to je platí to najmä pre najhmotnejšiu z planét - Jupiter). Práve pozorovania porúch obežnej dráhy Neptúna umožnili predpovedať a následne objaviť Pluto, najvzdialenejšiu známu planétu našej sústavy.

Newtonov gravitačný zákon a Keplerove zákony umožňujú dať do súvislosti veľkosti dráh planét s periódami rotácie, ale samotné dráhy nám neumožňujú vypočítať. V 18. storočí bol navrhnutý empirický vzorec pre polomery obežných dráh planét slnečnej sústavy:

, je polomer obežnej dráhy Zeme. Na rozdiel od Keplerovych zákonov, vzťah (4) z Newtonových zákonov nijako nevyplýva a doteraz nedostal teoretické zdôvodnenie, hoci obežné dráhy všetkých v súčasnosti známych planét sú uspokojivo opísané týmto vzorcom. Jedinou výnimkou je hodnota n=3, pre ktorú sa na vypočítanej dráhe nenachádza žiadna planéta. Namiesto toho bol objavený pás asteroidov - nepravidelne tvarované telesá, malé v planetárnom meradle. empirické zákony, ktorý nie je podporovaný dostupnou teóriou, môže hrať pozitívnu úlohu v štúdiách, keďže odrážajú aj objektívnu realitu (možno v nie celkom presnej a aj trochu skreslenej podobe).

Hypotézu už existujúcej piatej planéty Phaethon rozbil na kusy obr gravitačná príťažlivosť jej masívneho suseda - Jupitera, však kvantitatívna analýza pohybu obrovskej planéty ukázala nekonzistentnosť tohto predpokladu. Zrejme sa dá spomínaný problém vyriešiť len na základe úplnej teórie vzniku a vývoja planét slnečnej sústavy, ktorá zatiaľ neexistuje. Veľmi atraktívna teória spoločného vzniku Slnka a planét z jedného oblaku plynu, stlačeného pod vplyvom gravitačných síl, je v rozpore s pozorovaným nerovnomerným rozložením rotačného momentu (hybnosti) medzi hviezdou a planétami. Diskutuje sa o modeloch vzniku planét v dôsledku gravitačného zachytenia telies prichádzajúcich zo vzdialeného vesmíru Slnkom, o účinkoch spôsobených výbuchom supernov. Vo väčšine „scenárov“ vývoja slnečnej sústavy je existencia pásu asteroidov nejako spojená s jeho blízkosťou k najhmotnejšej planéte sústavy.

V súčasnosti známe vlastnosti planét slnečnej sústavy nám umožňujú rozdeliť ich do dvoch skupín. Prvé štyri planéty pozemskej skupiny sa vyznačujú relatívne malými hmotnosťami a vysokou hustotou ich základných látok. Pozostávajú z roztaveného železného jadra obklopeného silikátovým plášťom – kôrou. Planéty majú plynné atomosféry. Ich teploty sú určené najmä vzdialenosťou od Slnka a s jej nárastom klesajú. Skupina obrovských planét počnúc od Jupitera je zložená najmä z ľahkých prvkov (vodík a hélium), ktorých tlak vo vnútorných vrstvách narastá v dôsledku gravitačnej kompresie na obrovské hodnoty. Výsledkom je, že plyny pri približovaní sa k stredu postupne prechádzajú do kvapaliny a prípadne do pevného skupenstva. Predpokladá sa, že v centrálnych oblastiach je taký vysoký tlak, že vodík existuje v kovovej fáze, čo na Zemi ešte nebolo pozorované ani v laboratórnych podmienkach. Planéty druhej skupiny majú veľký počet satelitov. Pri Saturne je ich počet taký veľký, že pri nedostatočnom zväčšení sa zdá, že planétu obklopuje sústava súvislých prstencov (obr. 6_3).