Астрономия

Урок 5: Небесная механика

Небесная механика

Вопрос о строении и движении тел во Вселенной интересовал людей еще в античные времена. Над исследованием космоса работали великие ученые, выдвигались геоцентрическая и гелиоцентрическая теории строения Солнечной системы, изучалось движение звезд и планет по небесной сфере. Одни теории доказывались, другие опровергались. Открытия древних мыслителей позволили современному человеку не только получить полную картину о Вселенной, но и покорить космос с помощью ракет, кораблей и спутников.
Slide6

Лучшие условия по продуктам        Тинькофф по этой ссылке

Перейти
slide9

Дарим 500 ₽ на баланс сим-карты и 1000 ₽ при сохранении номера

Перейти
slmob

!!! 500 руб. на счет при заказе             сим-карты по этой ссылке

Перейти
slmob11

Лучшие условия по продуктам 
 ТИНЬКОФФ по данной ссылке

Перейти

План урока:

Представление о строении мира в античные времена

Представление о строении мира в Средневековье

Гелиоцентрическая система мира

Доказательства вращения Земли вокруг Солнца

Конфигурация и условия видимости планет

Периоды обращения планет

Космические скорости

Полет Ю. Гагарина вокруг Земли

 

Представление о строении мира в античные времена

В древности у людей были свои представления о строении мира, которые не имели ничего общего с современными теориями. Жители Земли в то время многого не понимали, для них все, что было вокруг, являлось загадкой. Люди опирались на свои ощущения и на то, что видели собственными глазами вокруг себя: небо, звезды, Солнце, Луну, Землю, природные явления. И, конечно же, всему этому пытались дать свое объяснение. Жители планеты видели Вселенную как что-то целое, имеющее две совершенно разные части: Землю и небо.

У древних народов были самые невероятные представления о строении мира.  Жители Древней Индии изображали Землю в форме полусферы, которая лежит на спинах четырех слонов. Животные расположились на панцире черепахи, плавающей в огромном океане. Вокруг нее кольцом свернулась змея, символизирующая околоземное пространство.

1 nebesnaya mehanika

Древние египтяне имели несколько теорий о строении мира. Согласно первой, Земля - это большая вытянутая долина, а в самом ее центре раскинулся Египет. Небо было похожим на крышу из железа, которую подпирали столбы. К самому небесному куполу подвешены звезды, напоминающие маленькие светильники. Согласно другой картинке, внизу изображался бог Земли Геба, над ним богиня Нуд, покровительница неба. По бокам - два корабля бога Солнца Ра, которые указывают путь Солнцу по небесному своду.

2 nebesnaya mehanika

Древние славяне видели планету в форме большого яйцаОни считали, что мир разделен на три части. Посредине находится Земля, на которой находятся люди и все, что их окружает. Под ней расположен нижний мир – пекло, сверху – небеса в виде купола со звездами. Народы Древней Руси считали, что плоская Земля держится на спинах трех китов, которые плавают по просторам мирового океана.

3 nebesnaya mehanika
Источник

Вавилонцы видели Землю, похожую на выпуклый остров, окруженный океаном. Древним грекам Земля казалась похожей на диск. Со всех сторон его омывал океан. А вверху по медному небу двигалось Солнце.

4 nebesnaya mehanika

В виде плоского треугольника видели Землю древние китайцы. Над ним на высоких столбах нависает небо. Какими бы не были античные представления о строении мира, все они напрямую были связаны с наблюдениями человека с поверхности Земли.

В древности  все знания о Вселенной были едиными. Немного позже произошло выделение отдельных наук: математики, физики, философии, астрономии и пр. С их развитием развивалось и представление людей о строении мира. Наблюдая за видимым движением планет, древние астрономы не могли с точностью сказать, происходит ли движение самой Земли или она стоит на месте. Именно поэтому существовало две точки зрения касательно модели Солнечной системы:

  • Земля неподвижна и является центром Вселенной.
  • Центр Вселенной – Солнце и планета движется вокруг него и вращается вокруг своей оси.

Вторая теория сильно противоречила религиозным взглядам и не имела математического подтверждения, именно поэтому в астрономии на протяжении многих лет считалось, что Земля все-таки неподвижна, на основании чего была создана геоцентрическая система мира. Название получила от имени греческой богини  Земли - Геи. Мыслители того периода утверждали, что центр геоцентрической системы мира – это Земля, которая владела асимметрией и центральной осью. У нее были опоры, ими служили слоны, кит и даже черепаха. Со временем теория меняла свою структуру и самой обдуманной она стала во времена Пифагора. Ученый предположил, что Земля имеет шарообразную форму. В дальнейшем с этой точкой зрения согласились и другие мыслители.

5 nebesnaya mehanika
Источник

Немаловажную роль в развитии модели геоцентрической системы мира внесли такие ученые, как Аристотель, Птолемей. 

Аристотель одним из первых сумел доказать, что Земля – это все-таки шар. Во время лунного затмения планета отбрасывала на Луну круглую тень. Звезды, расположившиеся низко над линией горизонта, рано или поздно исчезают под ней, в то время как с другой стороны появляются новые – это говорит о выпуклой поверхности. Мыслитель считал, что вокруг шарообразной Земли вращаются прозрачные сферы, к которым крепились Луна, Венера, Меркурий, Сатурн, Марс, Юпитер и Солнце. На 8 сфере были закреплены все звезды, а на 9 по его мнению находилось что-то на подобие небесного мотора, который и приводил в движение все сферы. Система мира, созданная Аристотелем, «убрала» из мироздания всех богов и мифических существ.

6 nebesnaya mehanika
Источник

Птолемей продолжал утверждать, что Земля неподвижна, все небесные тела вращаются вокруг нее. Земной шар был центром мироздания. В работах ученого присутствовали доказательства, что планета находится в самом центре всего космического пространства, но при этом ее размеры были значительно меньше других небесных тел. Разницу в размерах он объяснял тем, что все звезды с земной поверхности человек видит одинаково, а расстояния до них огромные, если сравнивать их с размерами Земного шара.

Мыслитель утверждал, если бы Земля двигалась, то происходило бы ее смещение. А так как этого нет, значит, она неподвижна. Также он указал, что по отношению к планете все тела падают вертикально, поэтому она и является центром всего. Благодаря Птолемею появились понятия «верх» и «низ». «Верх» - представляет собой направление от центра Земного шара, соответственно «низ» - направление к центру.

7 nebesnaya mehanika
Источник

 

Представление о строении мира в Средневековье

На средние века выпал расцвет влияния церкви на светский и научный мир. Поэтому представление человека о мире в Средневековье продолжало склоняться к геоцентрической модели мира в совокупности с теориями Аристотеля.

В XII-XIII столетия на территории Европы начинают появляться астрономические работы древних греков, переведенные на латиницу. Церковь, боясь, что труды о строении мира ослабят религию, всеми возможными методами боролась с древнегреческой наукой. Те, кто читал книги греческих мыслителей, обвинялись в ереси и изгонялись.

Италия, имея выгодное географическое расположение, вела торговлю с арабскими государствами. Купцы с каждым разом все дальше и дальше отправлялись на восток, строя торговые отношения с новыми государствами. В результате путешествий по морю, рос и интерес к астрономии: мореплаватели наблюдали за небесными светилами, создавали первые астрономические инструменты, рисовали морские карты. Благодаря арабам итальянцы знакомятся с мировоззрением древних греков. А долгие странствования по морским просторам и наблюдения за звездным небом позволяют доказать теорию греков о шарообразности Земли.

Развитие мореходства начало предъявлять астрономии новые требования. Необходимо было пересмотреть и уточнить арабские таблицы движения небесных тел, упорядочить календарь. На основании новейших астрономических наблюдений в 1252 году были составлены «Альфонсовы таблицы», в которых по-новому отображалось движение небесных светил. Немаловажными также считались таблицы Пурбаха и Региомонтана. Благодаря этим трудам мореплавателям стало легче ориентироваться среди открытого моря, что в результате привело к Великим географическим открытиям XV века.

8 nebesnaya mehanika
Альфонсовы таблицы 

Жажда новых открытий и обогащения за счет торговли приводит к стремительному развитию мореплавания. Благодаря этому создаются новые методы наблюдения за небесными светилами, а старые теории о строении Вселенной начинают постепенно терять свою ценность.

Наблюдая за движением небесных тел, у ученых стали возникать трудности с вычислением их положения на небосводе, что поставило под сомнения правильность системы мира Птолемея. Древние представления о строении мира начинают меняться. Леонардо да Винчи опроверг наличие сфер Аристотеля. Он склонялся, что Земля имеет вращательное движение и не является центром мира. Николай Кузанский также утверждал, что Земной шар все-таки движется, а Вселенная вообще не имеет центра, так как она бесконечна.

Первым, кто научно опроверг систему мира Птолемея, является Николай Коперник. Именно он считается создателем совершенно новой системы мира – гелиоцентрической.

 

Гелиоцентрическая система мира

В 1543 году мир увидел работу польского астронома Н. Коперника «О вращении небесных сфер». Ученый описал гелиоцентрическую теорию и подтвердил ее физическими расчетами. Исходя из теории - Земля движется. Она, как и остальные планеты, вращается вокруг некого центра, которым считалась центральная точка орбиты.

9 nebesnaya mehanika

Причиной смены дня и ночи на Земле и движения Солнца по небосводу является вращение планеты вокруг своей оси.

Коперник сделал следующие выводы:

  • Земля перемещается, периодически то приближаясь, то отдаляясь от других планет Солнечной системы, в результате чего эти планеты совершают как будто бы попятное движение.
  • В результате периодического смещения земной оси весеннее равноденствие с каждым годом приходит немного раньше.
  • Сфера звезд находится на огромном расстоянии по отношению к расстояниям между планетами, поэтому годичные параллаксы не наблюдаются.

Гелиоцентрическая модель позволила более точно оценить размеры планет и расстояния до них. Коперник определил примерные размеры Солнца и Луны, а также указал время (88 суток), которое необходимо Меркурию, чтобы совершить полный оборот вокруг Солнца.

 

Доказательства вращения Земли вокруг Солнца

Самые первые предположения вращения Земли вокруг Солнца появились еще в III веке до нашей эры благодаря древнегреческому ученому Аристарху Самосскому, но дальнейшего развития они не получили, так как в те времена господствовала модель геоцентрической системы мира. Со временем теории мироздания менялись, усовершенствовались и доказывались. Сегодня уже ни для кого не секрет, что вращение Земного шара вокруг Солнца все-таки происходит. 

Какие же доказательства вращения Земли вокруг Солнца существуют в современном мире:

  • Параллактическое смещение звезд – в течение года происходит изменение месторасположения звезды, за которой происходит наблюдение.

10 nebesnaya mehanika
Источник

Невооруженным глазом заметить данное явление практически невозможно, так как звезды отдалены на очень большие расстояния. Раньше за явлением наблюдали с помощью гелиометра, сейчас для этих целей используют сверхдальнюю радиоинтерферометрию и космические телескопы.  

11 nebesnaya mehanika
Гелиометр  

  • Годичное аберрационное смещение звезд – его открытие произошло благодаря английскому астроному Дж. Брадлею в 1728 г.

12 nebesnaya mehanika

Наблюдая за звездами с Земли, человек не стоит на месте, он участвует в орбитальном движении планеты. Следовательно, за то время пока свет, излучаемый от звезды, дойдет до окуляра прибора, земной наблюдатель вместе с этим прибором немного переместиться по орбите. Именно поэтому, чтобы свет от звезды попал именно в объектив, прибор направляют на расчетное направление, а не на видимое.

13 nebesnaya mehanika
Аберрация Источник

Эклиптика вместе с небесным экватором образуют угол 23°27′. Места их пересечения получили названия дни весеннего и осеннего равноденствия. Через эти точки небесное Светило проходит весной – 20 или 21 марта, а также осенью – 22 или 23 сентября.Период от одного весеннего равноденствия до второго называется тропическим годом. Он меньше звездного на 20 минут 24 секунды.

14 nebesnaya mehanika
Источник

 

Конфигурация и условия видимости планет

Под конфигурацией планет понимают их положение по отношению к Земле и Солнцу. По отношению к Земному шару выделяют внутренние и внешние планеты.

  • Внутренние (нижние) планеты – их орбиты меньше земной, расположены они ближе к Солнцу. Это Венера и Меркурий.
  • Внешние (верхние) планеты – большая полуось их орбит больше земной. Следовательно, к этой группе относят – Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.

Существует три конфигурации внутренних планет:

  • верхнее соединение;
  • нижнее соединение;
  • максимальная элонгация.

15 nebesnaya mehanika
Источник

Видимость планет зависит от конфигурации. Во время своего движения нижняя планета периодически оказывается между Земным шаром и диском Солнца или за диском. В таких условиях она становится невидимой, так как теряется в солнечных лучах. Эти положения называют соединениями.  Во время нижнего соединения планета максимально приближена к Земному шару, во время верхнего соединения – максимально от него отдалена (располагается за Солнцем).

Максимальная элонгация – угловое отдаление планеты от небесного Светила. Максимальное значение этого угла для Венеры – 480, для Меркурия – 280. Элонгация может быть западной или восточной, в зависимости от того, с какой стороны от Солнца расположена нижняя планета.

Из-за того, что Меркурий далеко от Солнца не отдаляется, невооруженным взглядом увидеть его практически невозможно. Угол отдаления Венеры от Светила больше, поэтому на ночном небе увидеть ее не составит труда. Она светиться ярче всех звезд.Видимость планеты с Земли возможна и во время заката, и во время утренней зари.

Когда одна из нижних планет проходит между Солнцем и Земным шаром, она проецируется на небесное светило, на фоне которого планета видна, как небольшой кружок черного цвета. Такие прохождения повторяются не чаще чем раз в 7-8 лет.

16 nebesnaya mehanika

В зависимости от того, как внутренняя планета расположена по отношению к Земному шару, ее освещенная солнечными лучами сторона будет видна наблюдателю по-разному. Все нижние планеты меняют фазы. Находясь в точке нижнего соединения, небесные объекты не видны, так как они обращены к земной поверхности своей неосвещенной стороной. Отдаляясь от этой точки, они начинают приобретать форму серпа. Чем дальше от Солнца, тем ширина серпа больше. В тот момент, когда угол у Меркурия или Венеры между направлениями на диск Солнца и Земной шар достигает 900 видна ½ освещенного полушария. В момент верхнего соединения нижние планеты повернуты к Земле полностью освещенной стороной, но увидеть их не предоставляется возможности, так как они теряются в лучах Солнца.

17 nebesnaya mehanika

Виды конфигурации внешних (верхних) планет:

  • соединение;
  • противостояние;
  • квадратура.

18 nebesnaya mehanika
Источник

В зависимости от конфигурации меняются и условия видимости планет. Соединение наблюдается, когда верхняя планета-Солнце-Земля располагаются на одной прямой, при этом небесное Светило должно быть посередине. В этот момент планета теряется в солнечных лучах и ее не видно. Конфигурация планет, когда Земной шар располагается между Солнцем и верхней (внешней) планетой, получила название противостояние. Для наблюдения это самое удачное расположение планет. В этот момент внешняя планета максимально приближена к Земле и повернута своим полностью освещенным полушарием. Земная тень на внешнюю планету не падает, так как каждое небесное тело вращается по собственной орбите, плоскости которых не совпадают. Следовательно, во время противостояния планеты по отношению к Земному шару будут находиться немного выше или ниже.

Конфигурация, при которой угол планета-Земной шар-Солнце достигает 900, называется квадратурой. Она может быть западной или восточной, в зависимости от того, с какой от Солнца стороны находится внешняя планета. Угол отдаления планеты от Светила варьируется в пределах от 00 до 1800.

 

Периоды обращения планет

Мы знаем, что абсолютно все планеты движутся вокруг звезд по эллиптическим орбитам. Звезды также не стоят на месте, они перемещаются вокруг центра Галактики, либо вокруг друг друга. Проще говоря, все крупные космические объекты имеют определенные пути движения.

Проводя анализ того или иного небесного тела, ученые-астрономы обязательно учитывают время, которые ему необходимо, чтобы совершить по своей траектории полный оборот. Это период обращения. Изучая Солнечную систему, ученые используют понятия синодического и сидерического периода.

19 nebesnaya mehanika

В Солнечной системе, под сидерическим (звездным) периодом понимают время обращения планет или других космических объектов вокруг небесного Светила. Например, для Земли он составляет 365,2564 суток, что равно 1 году. Сидерический период Юпитера длится 11,86 лет, Урана – 84,02 года, Нептуна – 164,78 года. 

Планеты, которые расположены ближе к Светилу, имеют большую скорость движения. Соответственно их звездный период обращения будет короче, чем у отдаленных планет.

В астрономии благодаря наблюдениям ученые определяют синодический период – это временной отрезок между двумя одинаковыми конфигурациями планеты.Например, между двумя противостояниями или двумя соединениями.Чтобы вычислить звездный период обращения планеты, нужно знать ее синодический период.

20 nebesnaya mehanika

Как же на практике связаны между собой синодический и сидерический периоды? Звездный период верхней планеты обозначим Р, а Земли – Т. Так как Земной шар будет располагаться ближе к Солнцу, значит Р˃Т. Синодический период – S. Угловые скорости движения планет по орбитам равны 3600/Т и 3600/Р. Например от одной конфигурации противостояние до другой планета пройдет по орбите дугу – , пройденная дуга Землей за это же время будет на 3600 больше и равна  . Получаем формулу:

21 nebesnaya mehanika

Пример. Каков будет синодический период у Марса, если его сидерический период (Р) равен 1,88 земного года? Синодический период Земли (Т) – 1 год.

Марс – это внешняя планета, используем формулу:

22 nebesnaya mehanika
Таблица синодического и сидерического периодов обращения планет Солнечной системы (Значение периодов является величиной постоянной, эти расчеты были сделаны учеными, поэтому они точны.)

 

Космические скорости

Почему, когда мы подбрасываем какие-либо предметы вверх, они обязательно падают вниз. А искусственные спутники, запущенные с Земли, могут годами беспрепятственно находиться в космическом пространстве. Этому способствует центробежная сила, которая и помогает удерживаться телам. Проведем небольшой эксперимент. Привяжем к нитке любой предмет и начнем раскручивать его по окружности. Чем больше скорость раскрутки, тем меньше вероятности телу упасть. Чем медленнее начинаем крутить, нить ослабевает, и предмет легко падает на землю. В чем же дело?

В астрономической науке существует  понятие космической скорости.  Если говорить не научным языком,  это скорость, позволяющая  конкретному объекту преодолевать силу тяготения небесных тел, а также их систем. Если полистать научные источники, то мы найдем там такое трактование  этого понятия:

23 nebesnaya mehanika

Другими словами, космическая скорость – это та скорость, которую перед своим начальным движением должен иметь, к примеру, космический аппарат на поверхности Земли, пока он не попал в атмосферу.

В астрономии выделяют четыре космические скорости:

  • первая v1 – объект получает способность двигаться по своей орбите на небольшой высоте вокруг небесного тела и не упасть на его поверхность (используется для искусственных спутников Земли). Она равна 7,91 км/с;
  • вторая v2–объект преодолевает силу гравитации (притяжение) небесного тела и начинает движение по параболической орбите, все больше удаляясь от него. Ее значение 11,168 км/с;
  • третья v3–скорость, с которой объект сможет преодолеть притяжение Солнца и покинуть Солнечную систему – 16,67 км/с;
  • четвёртая v4 – с ее помощью объект, способен покинуть Галактическое пространство. Точных данных о ее значении нет, так как никто пока не знает, как распределяется вещество в Галактике. Примерно значение скорости должно быть 470-520 км/с.

 

Полет Ю. Гагарина вокруг Земли

День 12 апреля 1961 года стал поистине знаменательным не только в Советском Союзе, но и во всем мире. В космос полетел первый космонавт. Им стал Юрий Гагарин. Всего 108 минут длился полет Гагарина, но это был долгожданный прорыв человечества в космическое пространство. И лидером в этом событии стал СССР. Именно советский человек первым, преодолев внеземное притяжение, вышел на околоземную орбиту. На космическом корабле «Восток», который стартовал с космодрома Байконур, Юрий Алексеевич Гагарин сделал один оборот вокруг Земного шара и осуществил удачную посадку в 10.55 в Саратовской области.

24 nebesnaya mehanika

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Как называется система мира, в которой Земля считается центром Вселенной:
1Геоцентрическая
2Гелиоцентрическая
3Антропоцентрическая
4Античная
Ответить
1
Вопрос: 2
Назовите работу Коперника, в которой он изложил основы гелиоцентрической модели мира:
1«Движение Земли вокруг Солнца»
2«Небесные тела Солнечной системы»
3«О вращении небесных сфер»
4«Космос в Средневековье»
Ответить
2
Вопрос: 3
Положение планеты по отношению к Земле и Солнцу называется:
1Расположение
2Конфигурация
3Аберрация
4Эклиптика
Ответить
2
Вопрос: 4
Назовите период обращения планеты меду двумя одинаковыми конфигурациями:
1Синодический
2Космический
3Сидерический
4Орбитальный
Ответить
1
Вопрос: 5
Как назывался космический корабль, на котором Юрий Гагарин совершил первый полет в космос:
1Земля
2Луна
3Космос
4Восток
Ответить
4
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Как называется система мира, в которой Земля считается центром Вселенной:
1) Геоцентрическая 2) Гелиоцентрическая 3) Антропоцентрическая 4) Античная
2 вопрос:

Назовите работу Коперника, в которой он изложил основы гелиоцентрической модели мира:
1) «Движение Земли вокруг Солнца» 2) «Небесные тела Солнечной системы» 3) «О вращении небесных сфер» 4) «Космос в Средневековье»
3 вопрос:

Положение планеты по отношению к Земле и Солнцу называется:
1) Расположение 2) Конфигурация 3) Аберрация 4) Эклиптика
4 вопрос:

Назовите период обращения планеты меду двумя одинаковыми конфигурациями:
1) Синодический 2) Космический 3) Сидерический 4) Орбитальный
5 вопрос:

Как назывался космический корабль, на котором Юрий Гагарин совершил первый полет в космос:
1) Земля 2) Луна 3) Космос 4) Восток
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Геоцентрическая
2 вопрос: «Небесные тела Солнечной системы»
3 вопрос: Конфигурация
4 вопрос: Синодический
5 вопрос: Восток
slide6

    А Вы уже инвестируете? 
Слышали про акцию в подарок?

Перейти
slide6

               Зарегистрируйся по этой ссылке
               и получи акцию до 100.000 руб.

Перейти