В том факте, что Земля крутится как вокруг своей оси, так и вокруг Солнца, нашего естественного светила, сегодня нет сомнений ни у кого из людей. Это абсолютный и подтвержденный факт, однако почему Земля крутится именно так, как она это делает? В данном вопросе мы сегодня и разберемся.
Почему Земля крутится вокруг своей оси
Начнем мы с самого первого вопроса, который заключается в природе самостоятельного вращения нашей планеты.
И ответом на данный вопрос, как на многие другие вопросы о тайнах нашей вселенной, является Солнце. Именно воздействие Солнечных лучей на нашу планету приводит её в движение. Если же немного больше углубиться в данный вопрос, то стоит отметить, что солнечные лучи прогревают атмосферу и гидросферу планеты, которые приводятся в движения в процессе нагрева. Такое движение и заставляет Землю двигаться.
Что же касается ответа на вопрос, почему Земля крутится против часовой стрелки, а не по ней, то как такового фактического подтверждения данному факту нет. Однако стоит отметить, что большинство тел в нашей Солнечной системе вращается именно по направлению против часовой стрелки. Именно поэтому данное условие коснулось и нашей планеты.
Кроме того, важно понимать, что Земля вращается против часовой стрелки только при условии, что на её движение наблюдение будет происходить с северного полюса. В случае наблюдений со стороны южного полюса, вращения будут происходить иначе – по часовой стрелке.
Почему Земля крутится вокруг Солнца
Что же касается более глобального вопроса, связанного с вращением нашей планеты вокруг своего естественного светила, то его мы максимально подробно рассматривали в рамках соответствующей статьи на нашем сайте. Однако если говорить коротко, то причиной такому вращению является закон всемирного тяготения, который в Космосе действует как и на Земле. И он заключается в том, что тела с более большой массой притягивают к себе менее «увесистые» тела. Таким образом, Земля притягивается к Солнцу и осуществляет вращение вокруг звезды за счет своей массы, а также ускорения, двигаясь строго по существующей орбите.
Почему Луна крутится вокруг Земли
Природу вращений естественного спутника нашей планеты мы также уже рассматривали, и причина такого движения имеет аналогичный характер – закон всемирного тяготения. Земля, разумеется, имеет более серьезную массу, чем Луна. Соответственно – Луна притягивается к Земле и производит движение по её орбите.
Движение вокруг оси вращения является одним из распространенных видов перемещения объектов в природе. В данной статье этот тип движения рассмотрим с точки зрения динамики и кинематики. Также приведем формулы, связывающие основные физические величины.
О каком движении пойдет речь?
В буквальном смысле речь пойдет о перемещении тел по окружности, то есть об их вращении. Ярким примером такого движения является вращение колеса автомобиля или велосипеда во время перемещения транспортного средства. Вращение вокруг своей оси фигуриста, выполняющего сложные пируэты на льду. Или вращение нашей планеты вокруг Солнца и вокруг собственной, наклонной к плоскости эклиптики, оси.
Как можно заметить, важным элементом рассматриваемого типа движения является ось вращения. Каждая точка тела произвольной формы совершает вокруг нее круговые движения. Расстояние от точки до оси называют радиусом вращения. От его значения зависят многие свойства всей механической системы, например момент инерции, линейная скорость и другие.
Если причиной линейного поступательного перемещения тел в пространстве является действующая на них внешняя сила, то причиной движения вокруг оси вращения является внешний момент силы. Эта величина описывается как векторное произведение приложенной силы F¯ на вектор расстояния от точки ее приложения до оси r¯, то есть:
Действие момента M¯ приводит к появлению углового ускорения α¯ в системе. Обе величины связаны друг с другом через некоторый коэффициент I следующим равенством:
Величина I называется моментом инерции. Он зависит как от формы тела, так и от распределения массы внутри него и от расстояния до оси вращения. Для материальной точки он вычисляется по формуле:
Если внешний равен нулю, тогда система сохраняет свой момент импульса L¯. Это еще одна векторная величина, которая, согласно определению, равна:
Здесь p¯ - импульс линейный.
Закон сохранения момента L¯ принято записывать в таком виде:
Где ω - скорость угловая. О ней речь пойдет дальше в статье.
Кинематика вращения
В отличие от динамики, этот раздел физики рассматривает исключительно практические важные величины, связанные с изменением во времени положения тел в пространстве. То есть объектом изучения кинематики вращения являются скорости, ускорения и углы поворота.
Для начала введем угловую скорость. Под ней понимают угол, на который тело совершает поворот за единицу времени. Формула для мгновенной угловой скорости имеет вид:
Если за одинаковые промежутки времени тело совершает повороты на равные углы, тогда вращение называют равномерным. Для него справедлива формула для средней угловой скорости:
Измеряется ω в радианах в секунду, что в системе СИ соответствует обратным секундам (с -1).
В случае неравномерного вращения используют понятие углового ускорения α. Оно определяет скорость изменения во времени величины ω, то есть:
α = dω/dt = d 2 θ/dt 2
Измеряется α в радианах в секунду квадратную (в СИ - с -2).
Если тело изначально вращалось равномерно со скоростью ω 0 , а затем начало увеличивать свою скорость с постоянным ускорением α, тогда такое движение можно описать следующей формулой:
θ = ω 0 *t + α*t 2 /2
Это равенство получается при интегрировании по времени уравнений угловой скорости. Формула для θ позволяет рассчитать число оборотов, которое сделает система вокруг оси вращения за время t.
Линейная и угловая скорости
Обе скорости друг с другом связаны. Когда говорят о скорости вращения вокруг оси, то могут иметь в виду как линейную, так и угловую характеристику.
Предположим, что некоторая материальная точка вращается вокруг оси на расстоянии r со скоростью ω. Тогда ее линейная скорость v будет равна:
Разница между линейной и угловой скоростью является существенной. Так, ω при равномерном вращении от расстояния до оси не зависит, величина же v линейно возрастает с увеличением r. Последний факт объясняет, почему при увеличении радиуса вращения сложнее удерживать тело на круговой траектории (увеличивается его линейная скорость и, как следствие, инерционные силы).
Задача на вычисление скорости вращения вокруг своей оси Земли
Каждый знает, что наша планета в Солнечной системе совершает два вида вращательного движения:
- вокруг своей оси;
- вокруг звезды.
Вычислим скорости ω и v для первого из них.
Угловую скорость определить не сложно. Для этого вспомним, что полный оборот, равный 2*pi радиан, планета совершает за 24 часа (точное значение 23 ч 56 мин. 4,1 сек.). Тогда значение ω будет равно:
ω = 2*pi/(24*3600) = 7,27*10 -5 рад/с
Рассчитанное значение является небольшим. Покажем теперь, как сильно абсолютная величина ω отличается от таковой для v.
Рассчитаем линейную скорость v для точек, лежащих на поверхности планеты, на широте экватора. Поскольку Земля является сплюснутым шаром, то экваториальный радиус немного больше полярного. Он составляет 6378 км. Пользуясь формулой связи двух скоростей, получаем:
v = ω*r = 7,27*10 -5 *6378000 ≈ 464 м/с
Полученная скорость равна 1670 км/ч, что больше скорости звука в воздухе (1235 км/ч).
Вращение Земли вокруг своей оси приводит к появлению так называемой кориолисовой силы, которую следует учитывать при полете баллистических ракет. Также она является причиной многих атмосферных явлений, например отклонения направления ветров пассатов к западу.
Период обращения Земли вокруг своей оси - величина постоянная. Астрономически она равна 23 часам 56 минутам и 4 секундам. Однако ученые не стали учитывать ничтожную погрешность, округлив эти цифры до 24 часов, или одних земных суток. Один такой оборот называется суточным вращением и происходит с запада на восток. Для человека с Земли это выглядит как утро, день и вечер, сменяющие друг друга. Другими словами, восход Солнца, полдень и заход светила полностью совпадают с суточным вращением планеты.
Что такое ось Земли?
Земную ось можно мысленно представить в виде воображаемой линии, вокруг которой третья от Солнца планета и вращается. Эта ось пересекает поверхность Земли в двух постоянных точках - в Северном и Южном географических полюсах. Если, к примеру, мысленно продолжить направление земной оси вверх, то она пройдет рядом с Полярной звездой. Кстати, именно этим и объясняется неподвижность Полярной звезды. Создается эффект, что небесная сфера движется вокруг оси, а значит, и вокруг этой звезды.
Еще человеку с Земли кажется, что звездное небо вращается в направлении с востока на запад. Но это не так. Видимое движение является лишь отражением истинного суточного вращения. Важно знать, что наша планета одновременно участвует не в одном, а как минимум в двух процессах. Она обращается вокруг земной оси и совершает орбитальное движение вокруг небесного светила.
Видимое перемещение Солнца - это такое же отражение истинного движения нашей планеты по своей орбите вокруг него. В результате чего сначала наступает день, а потом - ночь. Отметим, что одно движение немыслимо без другого! Таковы законы Вселенной. При этом если период обращения Земли вокруг своей оси равен одним земным суткам, то время ее движения вокруг небесного светила - величина непостоянная. Узнаем, что же влияет на эти показатели.
Что влияет на скорость орбитального вращения Земли?
Период обращения Земли вокруг своей оси - это величина постоянная, чего не скажешь о скорости, с которой голубая планета движется по орбите вокруг светила. Долгое время астрономы думали, что эта скорость постоянна. Оказалось, что нет! В настоящее время благодаря наиболее точным измерительным приборам ученые обнаружили небольшое отклонение в ранее полученных цифрах.
Причина такой изменчивости - трение, возникающее во время морских приливов. Именно оно непосредственно влияет на уменьшение орбитальной скорости третьей от Солнца планеты. В свою очередь, приливы и отливы - это следствие действия на Землю ее постоянного спутника - Луны. Такой оборот планеты вокруг небесного светила человек не замечает, так же как и период обращения Земли вокруг оси. Но мы не можем не обращать своего внимания на весна сменяется летом, лето - осенью, а осень - зимой. И так происходит постоянно. Это и есть следствие орбитального движения планеты, длящегося 365,25 суток, или один земной год.
Стоит отметить, что Земля движется относительно Солнца неравномерно. Например, в одних точках она наиболее приближена к небесному светилу, а в других - наиболее удалена от него. И еще: орбита вокруг Земли - это не окружность, а овал, или эллипс.
Почему человек не замечает суточного вращения?
Человек никогда не сможет заметить вращения планеты, находясь на ее поверхности. Это объясняется разностью размеров наших и земного шара - слишком огромен он для нас! Период обращения Земли вокруг своей оси никак не получится заметить, но удастся ощутить: день сменится ночью и наоборот. Об этом уже говорилось выше. Но что было бы, если бы голубая планета не смогла вращаться вокруг оси? А вот что: на одной стороне Земли был бы вечный день, а на другой - вечная ночь! Ужасно, не так ли?
Важно знать!
Итак, период обращения Земли вокруг своей оси составляет почти 24 часа, а время ее «путешествия» вокруг Солнца - около 365,25 дней (один земной год), поскольку эта величина - непостоянная. Обратим ваше внимание на то, что, кроме двух рассмотренных движений, Земля участвует и в других. Например, она вместе с остальными планетами совершает движение относительно Млечного Пути - нашей родной Галактики. В свою очередь, совершает некоторое движение относительно других соседних галактик. И все происходит потому, что во Вселенной не было и никогда не будет ничего неизменного и неподвижного! Это нужно запомнить на всю жизнь.
Интересным является то, что все планеты Солнечной системы не стоят на месте, а вращаются в том или ином направлении. Большинство из них в этом отношении «солидарны» с Солнцем. крутятся обратно ходу часовой стрелки, если наблюдать с Исключением являются Венера и Уран, обращающиеся в обратном направлении. При этом если с Венерой все понятно, то у второй планеты есть некоторые проблемы с определением направления, т.к. ученые не пришли к единому мнению относительно того, какой полюс у нее северный, а какой - южный из-за большого наклона оси. Солнце вращается вокруг своей оси со скоростью 25-35 суток, и такая разница объясняется тем, что на полюсе оборот проходит медленнее.
Проблема, как вращается Земля (вокруг оси), имеет несколько вариантов решения. Во-первых, некоторые считают, что планета вращается под воздействием энергии звезды в нашей системе, т.е. Солнца. Оно нагревает огромные водные и воздушные массы, которые воздействуют на твердую составляющую, обеспечивая вращение с той или иной скоростью в большие промежутки времени. Сторонники этой теории предполагают: сила воздействия может быть такой, что если твердая составляющая планеты не достаточно прочна, то может возникнуть дрейф континентов. В защиту теории говорит то, что планеты, где есть вещество в трех разных состояниях (твердое, жидкое, газообразное) вращаются быстрее, чем те, у которых состояния два. Также исследователи отмечают, что на подходе к Земле формируется огромная мощность солнечного излучения, а мощность Гольфстрима в открытом океане более чем в 60 раз превышает мощность всех рек на планете.
Наиболее распространенным ответом на вопрос: «Как вращается Земля в течение суток?» - является предположение о том, что это вращение сохранилось со времен формирования планет из газопылевых облаков при участии других которые врезались в поверхность.
Представители разных научных (и не только) направлений пытались выяснить, с чем связано вокруг оси. Некоторые считают, что для такого равномерного вращения к ней прикладываются определенные внешние силы неизведанной природы. Ньютон, например, считал, что мир часто «нуждается в починке». Сегодня предполагают, что такие силы могут действовать в районе Южных и на южном окончании Верхоянского хребта Якутии. Предполагают, что в этих местах земная кора «крепится» перемычками к внутренней части, не давая проскальзывать по мантии. Ученые основываются на том, что в этих местах обнаружены интересные изгибы горных хребтов на суше и под водой, возникшие под воздействием огромных сил, действующих в земной коре и под ней.
Не менее интересно, как Здесь действует сила притяжения и благодаря которым планета держится на своей орбите как шарик, который крутят на веревочке. Пока эти силы уравновешены, мы не «улетим» в глубокий космос или, наоборот, не упадем на светило. Так, как вращается Земля, не вращается ни одна другая планета. Год, например, на Меркурии длится около 88 земных суток, а на Плутоне - четверть тысячелетия (247, 83 земных года).
Теория о мире, как геоцентрической системе, в былые времена не раз подвергалась критике и сомнениям. Известно, что над доказательством этой теории трудился Галилео Галилей. Это ему принадлежит вошедшая в историю фраза: «И все-таки она вертится!». Но всё же не ему удалось это доказать, как думают многие, а Николаю Копернику, который в 1543 написал трактат о движении небесных тел вокруг Солнца. Удивительно, но, несмотря на все эти доказательства, о круговом ходе Земли вокруг огромного светила, в теории остаются ещё открытые вопросы о причинах, побуждающих её к этому движению.
Причины движения
Средневековье позади, когда люди считали нашу планету неподвижной, и ее движения уже никто не оспаривает. А вот причины, по которым Земля направляется в путь вокруг Солнца, доподлинно неизвестны. Выдвинуто три теории:
- инертное вращение;
- магнитные поля;
- воздействие солнечного излучения.
Существуют и другие, но они не выдерживают критики. Интересно и то, что вопрос: «В какую сторону вращается Земля вокруг огромного небесного светила?», тоже недостаточно корректен. Ответ на него получен, но он точен лишь относительно общепринятого ориентира.
Солнце - это огромная звезда, вокруг которой сосредоточена жизнь в нашей планетарной системе. Все эти планеты совершают ход вокруг Солнца по своим орбитам. Земля движется по третьей орбите. Изучая вопрос: «В какую сторону вращается Земля по орбите?», учёные сделали множество открытий. Они поняли, что сама орбита не идеальна, поэтому наша зелёная планета находится от Солнца в разных её точках на отличных друг от друга расстояниях. Поэтому было высчитано среднее значение: 149 600 000 км.
Ближе всего Земля к Солнцу 3 января, а дальше - 4 июля. С этими явлениями связывают понятия: наименьший и наибольший временной день в году, по отношению к ночи. Изучая всё тот же вопрос: «В какую сторону вращается Земля по своей солнечной орбите?», учёные сделали ещё один вывод: процесс кругового хода происходит и по орбите, и вокруг собственного невидимого стержня (оси). Сделав открытия этих двух вращений, учёные задались вопросами не только причин, вызывающих такие явления, но и о форме орбиты, а также скорости вращения.
Как учёные определили, в какую сторону вращается Земля вокруг Солнца в планетарной системе?
Орбитальную картину планеты Земля описал немецкий астроном и математик В своём фундаментальном труде «Новая астрономия» он называет орбиту эллиптической.
Все объекты на поверхности Земли вращаются вместе с ней, используя общепринятые описания планетарной картины Солнечной системы. Можно сказать, что, наблюдая со стороны севера из космоса, на вопрос: «В какую сторону вращается Земля вокруг центрального светила?», ответ будет следующим: «С запада на восток».
Сравнивая с движениями стрелки в часах - это против её хода. Такую точку зрения приняли относительно Полярной звезды. То же самое увидит человек, находящийся на поверхности Земли со стороны Северного полушария. Представив себя на шаре, движущемся вокруг неподвижного светила, он увидит своё вращение справа налево. Это равносильно ходу против стрелки часов или с запада на восток.
Земная ось
Все это касается и ответа на вопрос: «В какую сторону вращается Земля вокруг своей оси?» - в противоположном ходу стрелки часов. Но если представить себя наблюдателем в Южном полушарии, картина будет выглядеть иначе - наоборот. Но, понимая, что в космосе понятия запада и востока отсутствуют, учёные оттолкнулись от земной оси и Полярной звезды, на которую ось направлена. Это и определило общепринятый ответ на вопрос: «В какую сторону вращается Земля вокруг своей оси и вокруг центра Солнечной системы?». Соответственно Солнце показывается утром из-за горизонта с восточного направления, а скрывается от наших взоров на западе. Интересно то, что многие сравнивают земные обороты вокруг собственного невидимого осевого стержня с вращением волчка. Но при этом земная ось не видна и несколько наклонена, а не вертикальна. Всё это отражается на форме Земного шара и эллиптической орбиты.
Звёздные и солнечные сутки
Кроме ответа на вопрос: «В какую сторону вращается Земля по часовой или против хода стрелки часов?», учёные рассчитали время оборота вокруг своей невидимой оси. Оно составляет 24 часа. Интересно то, что это лишь примерное число. Фактически, полный оборот на 4 минуты меньше (23 ч. 56 мин. 4,1 сек.). Это так называемый звёздный день. Мы же считаем сутки по солнечному дню: 24 часа, так как Земле на своей планетарной орбите каждый день необходимы ещё дополнительные 4 минуты, чтобы вернуться на своё место.
