C какой скоростью во Вселенной мчится Земля?


Лекция по астрономии. движение искусственных спутников земли

Дисциплина «Астрономия

»

Специальность 08.02.01 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений»

курс III группа: 1с1, 2с1, 3с1, 4с1

Преподаватель: Жданова Наталия Владимировна

ЛЕКЦИЯ 9. Движение искусственных спутников и космических аппаратов в Солнечной системе.
(2 часа)
План лекции:

  1. Искусственные спутники
  2. Первая космическая скорость
  3. Виды спутников

На основании закона всемирного тяготения Ньютон первым теоретически обосновал возможность создания искусственного спутника Земли. Давайте вспомним, что искусственными спутниками

называют космические аппараты, созданные людьми, которые позволяют наблюдать за планетой, около которой они вращаются, а также другими астрономическими объектами из космоса.

Чтобы понять, при каких условиях тело способно стать искусственным спутником Земли, обратимся к размышлениям Ньютона. Их суть такова: если бросить с высокой горы камень в горизонтальном направлении, то, двигаясь по ветви параболы, он со временем упадёт на Землю. Сообщив ему большую скорость, он упадёт дальше. Поскольку Земля имеет шарообразную форму, то одновременно с продвижением камня по его траектории поверхность Земли удаляется от него. Значит, можно подобрать такое значение скорости камня, при котором поверхность Земли из-за её кривизны будет удаляться от камня ровно на столько, на сколько камень приближается к Земле под действием силы тяжести. Тогда тело будет двигаться на постоянном расстоянии от поверхности Земли, то есть станет её искусственным спутником.

Так как за пределами атмосферы силы сопротивления движению спутнику отсутствуют, то на него будет действовать только сила притяжения к Земле. Поэтому спутник движется как свободно падающее тело с ускорением свободного падения

.

Искусственным спутником Земли может стать любое тело произвольной массы.

Важно, чтобы ему сообщили за пределами земной атмосферы горизонтальную скорость, при которой оно начнёт двигаться по окружности вокруг Земли.

Скорость, при достижении которой космический аппарат, запускаемый с Земли, может стать её искусственным спутником, называется первой космической скоростью

:

По этой же формуле мы можем рассчитать и первую космическую скорость спутника для любой планеты, заменив в ней радиус и массу Земли на радиус и массу исследуемой планеты.

Вблизи поверхности Земли первую космическую скорость можно определить, как:

Приняв радиус равным 6371 км, а ускорение свободного падения — 9,8 м/с2, получим, что для Земли первая космическая скорость равна 7,9 км/с.

Именно такую скорость в горизонтальном направлении нужно сообщить телу на небольшой, сравнительно с радиусом Земли, высоте, чтобы оно не упало на Землю, а стало её спутником, движущимся по круговой орбите.

Возникает закономерный вопрос: «Почему же тогда свободно падающий спутник не падает на Землю?»

Примем для простоты расчётов, что ускорение свободного падения равно 10 м/с2, а скорость спутника — 8 км/с. Тогда за одну секунду свободного падения спутник пройдёт по направлению к Земле 5 метров и одновременно с этим переместиться перпендикулярно этому направлению на 8 километров. В результате этих двух движений спутник и движется по своей орбите.

Так, например, наша Луна уже более 4,5 миллиардов лет обращается вокруг Земли.

Восемь километров в секунду — это почти 29 000 километров в час! Сообщить телу такую скорость, конечно, не просто. Только в 1957 году советским учёным впервые в истории человечества удалось с помощью мощной ракеты сообщить телу массой около 85 килограмм первую космическую скорость, и оно стало первым искусственным спутником Земли.

Если телу сообщить скорость, большую, чем первая космическая на данной высоте, то орбита спутника будет представлять собой эллипс. И чем больше сообщённая телу скорость, тем более вытянутой будет его орбита.

Скорость, при достижении которой космический аппарат, запускаемый с Земли, может преодолеть земное притяжение и осуществить полёт к другим планетам Солнечной системы, называется второй космической скоростью.

Расчёты показывают, что для преодоления земного притяжения скорость космического аппарата должна быть больше первой космической скорости в корень из двух раз (без учёта сопротивления воздуха):

Третья космическая скорость, или гиперболическая скорость

, — это наименьшая начальная скорость, с которой тело должно преодолеть земное притяжение и выйти на околосолнечную орбиту со скоростью, необходимой для того, чтобы навсегда покинуть пределы Солнечной системы:

В формуле — это орбитальная скорость нашей планеты.

Если в это уравнение подставить все известные величины и произвести вычисления, получим, что тело должно иметь минимальную скорость, примерно равную 16,7 км/с, чтобы начать двигаться по гиперболе и покинуть пределы Солнечной системы.

Конечно же, по записанным нами формулам можно рассчитывать космические скорости не только для Земли, но и других тел Солнечной системы. Для примера давайте определим первую и вторую космические скорости для Луны, если известна её масса и средний радиус.

Как мы уже упоминали, что практически осуществить запуск первого искусственного спутника Земли удалось 4 октября 1957 года, то есть спустя два с половиной столетия после открытия Ньютона. Сейчас же в околоземном пространстве движутся тысячи искусственных спутников Земли, запущенных учёными разных стран. Они обеспечивают непрерывный мониторинг погоды, различных природных явлений, трансляцию телевидения и так далее. А, например, спутниковая навигационная система ГЛОНАСС и другие системы глобального позиционирования позволяют определить координаты любой точки Земли с высокой степенью точностью.

Для полётов космических аппаратов к другим планетам и телам Солнечной системы необходимо производит очень точные расчёты траекторий с использованием законов небесной механики. При их запуске исходят из трёх основных соображений. Во-первых, геоцентрическая скорость космического аппарата при выходе на орбиту относительно Земли должна превышать вторую космическую скорость. Во-вторых, после преодоления притяжения Земли гелиоцентрическая орбита аппарата должна пересекаться с орбитой данной планеты (или другого небесного тела). А также необходимо подобрать такой момент запуска, чтобы орбита аппарата была наиболее оптимальной с точки зрения сроков полёта, затрат топлива и ряда других требований.

Одним из классов межпланетных траекторий являются энергетически оптимальные орбиты,

которые соответствуют наименьшей геоцентрической скорости космических аппаратов в момент достижения границы сферы действия Земли.

Рассмотрим одну такую орбиту на примере Марса. Для простоты будем считать, что орбиты Марса и Земли являются круговыми. Для оптимального запуска нужно выбрать такой момент, когда орбитальная скорость Земли и скорость космического аппарата будут сонаправлены. При этом запускаемый аппарат и Марс, двигаясь по своим орбитам, должны одновременно достигнуть точки встречи.

Полученная нами орбита называется полуэллиптической

или
гомановской
, в честь немецкого астронома Вальтера Гомана, занимавшегося теорией межпланетных полётов.

Теперь давайте рассчитаем время полёта Марса по этой полуэллиптической орбите, если его большая полуось равна 1,52 а. е.

Конструкция и оборудование современных космических аппаратов обеспечивают возможность совершения ими весьма сложных манёвров — выход на орбиту спутника планеты, посадка на планету и передвижение по её поверхности и т. п.

Вопросы:

  1. Подготовить доклад на тему ИСЗ и КА

Список литературы:

  1. Астрономия. Базовый уровень. 11 класс: учебник / Б. А. Воронцов-Вельяминов, Е. К. Страут. – 5-е изд., пересмотр. – М.: Дрофа, 2020.
  2. Астрономия. 11 класс. Методическое пособие к учебнику Б. А. Воронцова-Вельяминова, Е. К. Страута «Астрономия. Базовый уровень. 11 класс»/ М. А. Кунаш. — М.: Дрофа, 2020.
  3. Н.Н. Гомулина. Открытая астрономия/ Под ред. В.Г. Сурдина. – Электронный образовательный ресурс. https://www.college.ru/astronomy/course/content/index.htm
  4. В.Г. Сурдин. Астрономические задачи с решениями/ Издательство ЛКИ, 2020 г.
  5. Вселенная в вопросах и ответах. Задачи и тесты по астрономии и космонавтике. В.Г. Сурдин. 2017
  6. https://www.astronet.ru/
  7. https://v-kosmose.com/

Примечания[ | ]

  1. Task Group on Astronomical Designations from IAU Commission 5.
    Naming Astronomical Objects
    (неопр.)
    . International Astronomical Union (IAU) (апрель 2008). Дата обращения 4 июля 2010. Архивировано 2 августа 2010 года.
  2. Narlikar, Jayant V.
    Elements of Cosmology. — Universities Press, 1996. — ISBN 81-7371-043-0.
  3. Smolin, Lee.
    The life of the cosmos (англ.). — Oxford University Press, 1998. — P. 35. — ISBN 0-19-512664-5.
  4. Buta, Ronald James; Corwin, Harold G.; Odewahn, Stephen C.
    The de Vaucouleurs atlas of galaxies. — Cambridge University Press, 2007. — С. 301. — ISBN 0-521-82048-0.
  5. Elmegreen, Bruce G.
    (January 2010). «The nature and nurture of star clusters».
    Star clusters: basic galactic building blocks throughout time and space, Proceedings of the International Astronomical Union, IAU Symposium266
    : 3–13. DOI:10.1017/S1743921309990809.
  6. Hansen, Carl J.; Kawaler, Steven D.; Trimble, Virginia.
    Stellar interiors: physical principles, structure, and evolution (англ.). — 2nd. — Springer, 2004. — P. 86. — (Astronomy and astrophysics library). — ISBN 0-387-20089-4.

Особенности вращения Земли вокруг Солнца

(Строение Солнечной системы

)

В античную эпоху ученые астрономы считали, что Земля располагается в центре Вселенной и все небесные тела вращаются вокруг неё, эта теория носила название геоцентрической. Её развенчал польский астроном Николай Коперник в 1534 году, создавший гелиоцентрическую модель мира, доказывавшую, что Солнце не может вращаться вокруг Земли, как бы это не хотелось Птолемею, Аристотелю и их последователям.

Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической траектории, называемой орбитой, её длина около 940 миллионов км и это расстояние планета проходит за 365 суток 6 часов 9 минут и 9 секунд. По прошествию четырех лет эти шесть часов накопляются в сутки, они добавляются к году как еще один день (29 февраля), такой год високосный.

(Перигелий и афелий

)

В период движения по заданной траектории расстояние от Земли до Солнца может быть максимальным (данное явление происходит 3 июля и носит название афелий или апогелий) — 152 милл. км или минимальным — 147 милл. км (имеет место 3 января, называют перигелием).

В результате удаления и приближения Земли к Солнцу, вследствие наклона земной оси к плоскости её орбиты вокруг Солнца в 66,5 0 , земная поверхность получает неодинаковое количество тепла и света, что становится причиной смены времен года и изменения продолжительности дневного и ночного времени суток. Экваториальные дни и ночи всегда одинаково продолжительны, они длятся 12 часов.

(Оборот вокруг Солнца Земли: 365 суток 6 часов 9 минут и 9 секунд

)

Скорость Земли, движущейся по орбите

Средняя скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца — 30 км/с или 108000 км/час (это 1/10000 часть скорости света). Для сравнения диаметр нашей планеты составляет 12700 км, с этой скоростью можно покрыть данное расстояние за 7 минут, а расстояние от Земли до Луны (384 тыс. км) за четыре часа. Удаляясь от Солнца в период афелия скорость движения Земли замедляется до 29,3 км/с, в период перигелия ускоряется до 30,3 км/с.

Направление движения Земли

Мало знать, «как» движется земля в космическом пространстве – надо ещё представлять, в какую сторону она движется. Все вихревые потоки в нашей галактике закручены, условно говоря, «справа налево».

Таким образом, Солнечная система странствует вокруг центра Млечного Пути против часовой стрелки

. И точно в таком же направлении летит вокруг звезды наш маленький голубой шарик. Именно поэтому мы, живущие на этом шарике, видим, как ползёт слева направо наше светило по небу: так для человека, едущего в поезде, кажется, что неподвижно стоящие столбы убегают назад, в сторону, противоположную той, в которую двигается состав.

Тема «Земля — планета Солнечной системы»

1. За 4 часа Земля поворачивается вокруг своей оси на:

3) 60°

2. За 1 час Земля поворачивается вокруг своей оси на:

1) 15°

3. Движение Земли вокруг своей оси является причиной:

2) смены дня и ночи

3) смены сезонов года

4. Движение Земли вокруг Солнца является причиной:

1) наличия на земной поверхности материков и океанов

2) смены дня и ночи

3) смены сезонов года

4) начала эпохи географических открытий

5. Какая из перечисленных причин является причиной смены дня и ночи на Земле?

1) наличие на земной поверхности материков и океанов

2) движение Земли вокруг своей оси

3) движение Земли вокруг Солнца

4) движение Луны вокруг Земли

6. В какую из перечисленных дат на Земле продолжитель-ности дня и ночи равны?

7. В какую из перечисленных дат день будет самым длин-

8. Какое из утверждений о движении Земли верно?

1) Смена дня и ночи происходит из-за вращения Земли вокруг Солнца

2) Смена сезонов года происходит из-за движения Земли вокруг своей оси

3) Смена дня и ночи происходит из-за вращения Земли вокруг своей оси

4) Зимой Земля вращается вокруг своей оси; летом — вокруг Солнца

9. Какое из утверждений о движении Земли верно?

1) Смена сезонов года происходит из-за вращения Земли вокруг своей оси

2) Смена сезонов года происходит из-за движения Земли вокруг Солнца

3) Смена дня и ночи происходит из-за вращения Земли вокруг Солнца

4) Летом Земля вращается вокруг своей оси; зимой вокруг Солнца

Наше планета пребывает в постоянном движении, она вращается вокруг Солнца и собственной оси. Земная ось — воображаемая линия, проведенная от Северного к Южному полюсу(они при вращении остаются без движения) под углом в 66 0 33 ꞌ по отношению к плоскости Земли. Люди не могут заметить момент вращения, потому что все предметы движутся параллельно, их скорость такая же. Это выглядело бы точно также, как если бы мы плыли на корабле и не замечали движение предметов и объектов на нем находящихся.

Полный оборот вокруг оси завершается в течении одних звездных суток, состоящих из 23 часов 56 минут и 4 секунд. За этот промежуток то одна, то другая сторона планеты поворачивается к Солнцу, получая от него различное количество тепла и света. Помимо этого вращение Земли вокруг оси влияет на её форму (приплюснутые полюса — результат вращения планеты вокруг оси) и на отклонение при движении тел в горизонтальной плоскости (реки, течения и ветра Южного полушария отклоняются влево, Северного — вправо).

Движение Земли в космосе

Первое, что необходимо знать: Солнце не является центром мироздания

– как, впрочем, и сама Земля. Наша родная Солнечная система – лишь крохотный участок космоса в одном из рукавов
Млечного Пути
. Который, в свою очередь, является одной из миллиардов галактик, а ведь нашей науке известны лишь самые близкие наши «соседи»! И все эти космические объекты перемещаются. Постоянно. Одновременно.

Представить это очень сложно, поэтому в детстве папа объяснял это мне так: представьте себе горошину, которая катается в детской погремушке в руке малыша, сидящего на карусели. А карусель установлена на палубе тихоокеанского лайнера. Представили? Так вот, мы – микробы, живущие на той самой горошине.

Словом, земной шар одновременно:

  • вращается вокруг своей оси
    , благодаря чему солнце освещает то один, то другой бок планеты, и
    ночь сменяется днём
    ;
  • крутится по вытянутой траектории вокруг своей звезды
    ;
  • облетает, вместе со всей Системой, центр Млечного Пути
    по широкой, равной миллионам лет, орбите;
  • и, наконец, вместе с Солнцем и всей нашей галактикой перемещается вокруг высчитанного астрономами (хотя и не обнаруженного пока в телескопы) центра Вселенной
    , вокруг которого вращаются все известные на сегодняшний день галактики.

Так что, объективно говоря, траектория движения Земли представляет собой не круг, а спираль

, на каждом новом витке которой наша планета оказывается в другой точке космического пространства.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: