Давайте поговорим о орбитах планет

Вращение вокруг собственной оси

Вращение планеты по собственной оси проходит по наклонной к плоскости орбиты под углом 177 градусов, поэтому Вечерняя звезда совершает движение вокруг собственной оси в обратном, ретроградном, направлении.

Вращение Венеры вокруг своей оси (иллюстрация из открытых источников)

Стоит обратить внимание, что по отношению к Земле оборот вокруг оси равен 146 дням, звездный период Венеры равен 584 дням, то есть в 4 раза больше. Из-за этого во время каждого нижнего соединения планета повернута к Земле всегда одинаковой стороной. Из-за этого во время каждого нижнего соединения планета повернута к Земле всегда одинаковой стороной

Из-за этого во время каждого нижнего соединения планета повернута к Земле всегда одинаковой стороной.

Причины обратного движения Венеры

Учеными не установлена причина ретроградного венерианского движения.

В настоящий момент существует несколько гипотез:

• Во время образования Солнечной системы все планеты являли собой скопления газа и пыли, которые двигались против часовой стрелки. Считается, в период формирования, произошло столкновение с космическим объектом, который был в разы больше новой планеты. Объект «заставил» планету двигаться в обратном направлении.
• Существует несколько фантастическая теория о причастности Меркурия в ретроградности Венеры. Существует гипотеза о том, что Меркурий являлся спутником Утренней звезды. Спустя время, Меркурий, вероятно, столкнулся с Венерой по касательной, утратив часть массы. Эта теория объясняет искривленность орбиты Меркурия и обратное вращение Венеры.
• На вращение Венеры влияет атмосфера. Атмосферный слой равен 20 км в ширине. Масса Земли немного превышает венерианскую. Существует вероятность, что повышенная атмосферная плотность сдавливает венерианскую поверхность и заставляет планету двигаться в обратном направлении. В пользу этой гипотезы говорит относительно небольшая венерианская скорость вращения.
• На направление вращения влияет солнечная гравитация. Сильные гравитационные бури и трение между венерианским ядром и мантией создают условия для обратного движения.
• Влияние гравитации Земли на Венеру. Часть научного сообщества полагает, что гравитационное поле Земли обладает достаточной силой, которая за миллиарды лет смогла повлиять на направление вращения ближайшего соседа.

Венера

Размер Венеры почти аналогичен размеру  Земли, поэтому ее часто называют близнецом Земли. Небесное тело имеет атмосферное давление, которое в 100 раз сильнее, чем атмосфера Земли.

Венера выглядит очень ярко, поэтому ее можно увидеть примерно за 4 часа до восхода Солнца. Так что Венеру прозвали звездой рассвета. Венера обычно также известна как звезда Сумерек, потому что она выглядит ярко сияющей на западе, когда Солнце садится. Однако Венера не является звездой, потому что она не способна производить свой собственный свет.

Атмосфера Венеры состоит из углекислого газа (около 96%), азота (3,5%), водяного пара и других газов. Атмосфера Венеры может выдержать лучи солнца, поэтому Венера выглядит ярче всего видимой с Земли. Кроме того, плотная атмосфера Венеры также поддерживает температуру поверхности очень горячей, т. е. 477 ºC.

Направление вращения Венеры по часовой стрелке, поэтому Солнце на Венере поднимается с запада и опускается на восток. Вращение Венеры противоположно направлению вращения на других планетах, которые движутся против часовой стрелки.

Гравитация Венеры совпадает с гравитацией планеты Земля.
Венера не имеет спутника.

Планета	Расстояние от планеты до Солнца (млн. км)	Диаметр(км)	Температура поверхности(ºC)
от	до
Венера	108	12,100	+450	+480

Стремимся к центру: центростремительная сила

На крутых поворотах действие центростремительного ускорения обеспечивается трением шин по дороге. Какую силу нужно приложить, чтобы удержать движущийся со скоростью ​\( v \)​ автомобиль на повороте с радиусом кривизны ​\( r \)​?

Допустим, что в примере на рис. 7.1 легкий мяч заменили на тяжелое пушечное ядро. Теперь, чтобы поддерживать движение ядра по окружности с тем же радиусом и периодом вращения, потребуется гораздо большая сила.

Центростремительная сила ​\( F_ц \)​, необходимая для равномерного вращения по окружности с радиусом ​\( r \)​ объекта массой ​\( m \)​ с постоянной скоростью ​\( v \)​, равна:

С помощью этого уравнения можно легко определить силу, необходимую для равномерного вращения объекта по окружности с известной массой, скоростью и радиусом окружности.

В примерах на рис. 7.1 и 7.2 мяч движется со скоростью ​\( v \)​ = 13 м/с и удерживается нитью длиной 1,0 м, т.е. в данном случае радиус окружности ​\( r \)​ = 1 м. Какая сила потребуется, чтобы поддерживать такое же движение для пушечного ядра с массой 10 кг? Подставляя численные значения в уже известную нам формулу, получим:

Приличная сила! Остается только надеяться, что ваши руки достаточно сильны, чтобы удержать ядро.

Закон всемирного тяготения

В 1682 году Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения. Он звучит так: все тела притягиваются друг к другу, сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Формула силы тяготения согласно этому закону выглядит так:

Закон всемирного тяготения F = G * (Mm/R2) F — сила тяготения M — масса первого тела (часто планеты) m — масса второго тела R — расстояние между телами G — гравитационная постоянная G = 6,67 × 10-11м3·кг-1·с-2

Когда мы встаем на весы, стрелка отклоняется. Это происходит потому, что масса Земли очень большая, и сила тяготения буквально придавливает нас к поверхности. На более легкой Луне человек весит меньше в шесть раз.

Закон всемирного тяготения используют, чтобы вычислить силы взаимодействия между телами любой формы, если размеры тел значительно меньше расстояния между ними.

Если мы возьмем два шара, то для них можно использовать этот закон вне зависимости от расстояния между ними. За расстояние R между телами в этом случае принимается расстояние между центрами шаров.

Приливы и отливы существуют благодаря закону всемирного тяготения. В этом видео я рассказываю, что общего у приливов и прыщей.

Задачка раз

Две планеты с одинаковыми массами обращаются по круговым орбитам вокруг звезды. У первой из них радиус орбиты вдвое больше, чем у второй. Каково отношение сил притяжения первой и второй планеты к звезде?

Решение

По закону всемирного тяготения сила притяжения планеты к звезде обратно пропорциональна квадрату радиуса орбиты. Таким образом, в силу равенства масс отношение сил притяжения к звезде первой и второй планет обратно пропорционально отношению квадратов радиусов орбит:

По условию, у первой планеты радиус орбиты вдвое больше, чем у второй, то есть R₁=2R₂.

Это значит, что:

Ответ: отношение сил притяжения первой и второй планет к звезде равно 0,25.

Задачка два

У поверхности Луны на космонавта действует сила тяготения 144 Н. Какая сила тяготения действует со стороны Луны на того же космонавта в космическом корабле, движущемся по круговой орбите вокруг Луны на расстоянии трех лунных радиусов от ее центра?

Решение

По закону всемирного тяготения сила притяжения космонавта со стороны Луны обратно пропорциональна квадрату расстояния между ним и центром Луны. У поверхности Луны это расстояние совпадает с радиусом спутника. На космическом корабле, по условию, оно в три раза больше. Таким образом, сила тяготения со стороны Луны, действующая на космонавта на космическом корабле, в 9 раз меньше, чем у поверхности Луны, то есть:

144 : 9 = 16 Н

Ответ: на расстоянии трех лунных радиусов от центра сила притяжения космонавта будет равна 16 Н.

Важный нюанс!

Правильно говорить не «на тело действует сила тяготения», а «Земля притягивает тело с силой тяготения».

Солнечная система: строение и структура

Для своего удобства астрономы выделяют в Солнечной системе несколько областей или зон.

Внутренняя Солнечная система

Внутренняя Солнечная система — это зона внутри пояса астероидов, то место, где солнце дает достаточно тепла для того, чтобы вода могла существовать в виде жидкости или пара. Внутренние области Солнечной системы включают в себя Солнце и расположенные неподалеку четыре небольшие планеты — Меркурий, Венеру, Землю и Марс. Их называют планетами земной группы (или внутренними планетами). Они похожи друг на друга как по размерам, так и по массе. Кроме того похоже их внутреннее строение: ядра планет земной группы состоят из смеси железа и никеля, а поверхность и мантия — в основном из горных пород.

За орбитой Марса есть место для еще одной небольшой планеты. Однако ее там нет. Вместо планеты здесь находится пояс астероидов, в состав которого входит больше миллиона небольших тел. Когда-то среди астрономов была популярна гипотеза о существовании на этом месте планеты Фаэтон, которая по каким-то причинам разрушилась на множество осколков. Но впоследствии эта теория не подтвердилась.

Внешняя Солнечная система

Внешняя Солнечная система — это царство холодных планет гигантов.

Юпитер — следующая планета по удалению от Солнца после Марса. Это самая большая и массивная планета Солнечной системы. Масса Юпитера более чем в 300 раз больше массы Земли. Планета обладает мощным полем тяготения. Считается, что именно притяжение Юпитера не дало сформироваться планете в поясе астероидов.

Удивительно, но Юпитер не является твердым телом! В отличие от планет земной группы у него попросту нет твердой поверхности. Это так называемый газовый гигант. Юпитер почти целиком состоит из водорода и гелия с небольшими примесями других газов. По своему составу планета очень похожа на Солнце.

Вслед за Юпитером находится Сатурн, еще одна газовая планета-гигант. Сатурн немного меньше Юпитера и легче его, зато окружен яркими и красивыми кольцами, которые можно рассмотреть даже в небольшой телескоп.

Еще дальше располагаются планеты Уран и Нептун. Иногда их называют планетами близнецами из-за большого сходства. В целом по своим характеристикам Уран и Нептун также довольно похожи на Юпитер и Сатурн — это тоже планеты гиганты, обладающие очень мощными атмосферами. Но есть и различия:  Уран и Нептун меньше по размерам и имеют в своем составе не только газ, но и лед. Уран и Нептун очень холодные планеты, температура верхних слоев их атмосфер едва достигает -200°С (с глубиной температура медленно растет).

Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун часто называют просто внешними планетами. Также за Юпитером и Сатурном закрепилось название газовые гиганты, а за Ураном и Нептуном — ледяные гиганты.

Пояс Койпера

За орбитой Нептуна находится широкая область небольших ледяных тел — пояс Койпера. Пояс простирается на сотни миллиардов километров от Солнца и потому является отдельной большой зоной Солнечной системы. Объекты, населяющие пояс Койпера, по своим размерам и форме похожи на астероиды главного пояса, но, в отличие от них, состоят не из камня и металлов, а в основном изо льда. Самый первый объект пояса Койпера — Плутон — был открыт в 1930 году. Сегодня Плутон считается одной из шести карликовых планет.

Облако Оорта

Наконец, далеко за поясом Койпера находится резервуар ледяных планетезималей (Облако Оорта). Он окружает Солнечную систему со всех сторон подобно гигантской сфере и содержит порядка тысячи миллиардов кометных ядер, а возможно и больше. Астрономы полагают, что облако Оорта удалено от Солнца на расстояние до 100000 астрономических единиц, то есть находится почти на полпути к ближайшей звезде. На таком громадном расстоянии ни один объект облака Оорта нельзя увидеть даже в самый мощный телескоп. Но мы все же уверены в существовании облака благодаря тому, что время от времени оттуда прилетают новые кометы.

Как движутся объекты Солнечной системы вокруг Солнца?

Все планеты и астероиды движутся вокруг Солнца более или менее в одной плоскости (она называется эклиптикой) и в том же направлении, что и Земля. Если принять за «верх» северный полюс Земли, то планеты движутся против часовой стрелки. На нашем небе движение планет на фоне звезд происходит с запада на восток.

Другое дело кометы и объекты пояса Койпера — они могут двигаться совершенно по-разному (по часовой стрелке и против часовой) а также под большими углами к эклиптике.

Доказательства движения Земли вокруг Солнца

Впервые предположение о том, что Земля движется вокруг Солнца по орбите высказал древнегреческий астроном Аристарх Самосский в III в. до н. э. Но этой идее не дали развиться контраргументы слишком влиятельных соперников: Аристотеля, Птолемея и Платона. Долгие столетия господствовала геоцентрическая система мира, вплоть до работ Коперника 1534 года. С этого периода стали укореняться мысли о наличии орбитального движения Земли.

Сравнение геоцентрической и гелиоцентрической системАвтр: Оригинальный образ Нико Ланга

Доказательствами того, что движение Земли вокруг Солнца существует являются:

• параллактическое смещение звёзд дважды в год на один и тот же угол;
• годичное аберрационное смещение звёзд;
• непрерывное изменение положения Солнца на небе: изменяется полуденная высота Солнца, азимутальный угол восхода и заката.

Параллактическое смещение звёзд

Годичные параллаксы звёзд – изменение местоположения наблюдаемой звезды, объясняющееся изменением положения наблюдателя вследствие вращения Земли вокруг Солнца. Это смещение незаметно невооружённому глазу, так как звёзды удалены от нас на очень большие расстояния.

Для наблюдения за этим явлениям ранее использовали прибор гелиометр. В начале XX в. Фрэнком Шлезингером была разработана стандартная методика определения параллаксов способом фотографирования.

Современные способы измерения координат звёзд – космические телескопы и сверхдальная радиоинтерферометрия.

Движение Земли вокруг Солнца доказывает годичное аберрационное смещение звёзд

Аберрация – угол между наблюдаемым (видимым) и истинным направлением на светило. Годичное аберрационное смещение звёзд было открыто в 1728 году английским астрономом Дж. Брадлеем.

Дело в том, что пока свет от звезды доходит до окуляра прибора, наблюдатель вместе с прибором перемещается по орбите вокруг Солнца. Чтобы свет от звезды попал в объектив, нужно направить прибор не на истинное направление на звезду, а на расчетное.

Эклиптика

Нам кажется, что Солнце перемещается по небосводу, на самом деле это Земля вращается вокруг своей оси. Путь, который Солнце за год проходит по видимой части атмосферы, называют эклиптикой. Эклиптика – это сечение небесной сферы плоскостью земной орбиты. Небесный экватор – линия пересечения плоскости земного экватора с небесной сферой.

Эклиптика с небесным экватором в современную эпоху образует угол 23°27′. Места их пересечения называются точками весеннего и осеннего равноденствий. В этих точках Солнце бывает 20 либо 21 марта и 23 сентября.

Промежуток времени между двумя прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия называется тропическим годом. Тропический год на 20 мин. 24 сек. короче звёздного, т. к. точка весеннего равноденствия движется навстречу годовому движению Солнца.

Ретроградное движение у внутренних планет Солнечной Системы

Планета Венера является ближайшей планетой к нашей Земле. Её поверхность всегда скрыта от земного наблюдателя облаками плотнейшей атмосферы. Более того, в отличие от Марса и Юпитера на диске Венеры нельзя заметить никаких постоянных деталей, за исключением небольших темных пятен. Долгое время астрономы телескопической эры считали, что период вращения Венеры близок к земному. Так в 1667 году французский астроном Доменико Кассини оценил период вращения Венеры в 23 часа 21 минуту. По всей видимости, Д. Кассини стал жертвой оптической иллюзии, которую наблюдал в две разные ночи с разницей в одни земные сутки. Так ныне известно, что атмосфера Венеры совершает один оборот за 4 суток (явление суперротации). В конце 19 века итальянский астроном Д. Скиапарелли предположил, что период вращения Венеры равен её году, то есть 225 суток. Это предположение во многом было вызвано кратностью периодов обращения Венеры и Земли: 13 оборотов Венеры вокруг Солнца соответствуют 8 оборотам Земли.

Всё изменилось с развитием радиолокации, которая впервые позволила заглянуть под поверхность Венеры. Первая радиолокация Венеры была проведена в 1961 году в СССР, США и Великобритании. Уже в следующем году в СССР были получены данные о крайне медленном вращении Венеры в обратном направлении с периодом вращения примерно в 300 суток.

Данные о вращении Венеры

Ещё через год, в 1963 году американские радиоастрономы опубликовали более точное значение в 240 суток. Для сравнения венерианский год значительно меньше по длительности: 224 суток.

В течение следующих нескольких лет радиоастрономы окончательно убедились в том, что ось вращения Венеры наклонена на угол в 177 градусов. Интересно, что последние исследования космических аппаратов показали, что период вращения Венеры испытывает очень большие изменения. Так, сравнение наблюдений зондов Магеллан и Венера Экспресс, которые были сделаны с интервалом в 16 лет показали, что сутки на Венере замедлились на 6.5 минут.

Основной причиной ретроградного вращения Венеры считается крупное столкновение. Очень медленный период вращения Венеры чаще всего объясняется приливными силами Венеры (для сравнения Меркурий обращается вокруг своей оси за 59 суток, при орбитальном периоде обращения в 88 земных суток). Открытие быстрых изменений периода вращения показывает ещё один очень значительный фактор замедления периода вращения Венеры: влияние очень плотной и массивной атмосферы. Интересно отметить, что ретроградное вращение планеты порождает и ретроградное вращение атмосферы с периодом в 4 суток.

Почему Солнечная система не распадается

Космическое пространство не является пустотой. Все пространство вокруг звезд и планет наполнено космической пылью или темной материей, которая окружает все галактики. Большие скопления космической пыли называют облаками и туманностями. Часто облака космической пыли окружают крупные объекты – звезды и планеты.

Солнечная система окружена такими облаками. Они создают эффект упругого тела, что придает ей больше прочности. Другим фактором, не дающим распасться Солнечной системе, является сильное гравитационное взаимодействие между Солнцем и планетами, а также большое расстояние до ближайших к нему звезд. Так, самая близкая к Солнцу звезда Сириус находится на расстоянии около 10 млн световых лет. Чтобы было понятно, насколько это далеко, достаточно сравнить расстояние от светила до планет, входящих в состав Солнечной системы. Например, расстояние от него до Земли составляет 8,6 световых минут. Поэтому взаимодействие Солнца и других объектов внутри Солнечной системы значительно сильнее, чем других звезд.

Путь по которому движутся планеты в Солнечной системе называется. История гелиоцентрической системы

О подвижности планет стали с уверенностью говорить благодаря теории Николая Коперника, вычислившего период их обращения и расстояние от Солнца. В XVII веке немецкий астроном Иоганн Кеплер вывел ряд законов, согласно которым:

— каждое небесное тело Солнечной системы движется по эллипсу;

— Солнце расположено в одном из фокусов этого самого эллипса;

— планеты вращаются вокруг материнской звезды неравномерно – с ускорением либо замедлением в разных точках своего пути.

Окончательно вращение небесных тел было доказано лишь в XIX веке. А путь вращения планет вокруг Солнца получил название «орбита» (от латинского orbita – дорога, путь ). Если рассматривать только Землю, то полный оборот вокруг Солнца наша планета совершает за 365 дней.

Время, за которое она возвращается обратно в начальную точку пути, называется годом. Кроме того, Земля вертится вокруг своей оси, расположенной под определенным углом к орбите. В результате, чем дальше она от Солнца, тем лучше освещается ее северная половина и тем хуже – южная. Подобное явление способствует смене сезонов, которые мы знаем как зиму, весну, лето и осень.Несмотря на то что теория движения планет абсолютно доказана, в это трудно поверить даже сейчас, ведь мы совершенно не замечаем их вращения относительно окружающих нас объектов – строений, деревьев. Проверить данное утверждение можно при помощи простого эксперимента: если сбросить маленький железный шарик с высокого здания, то при падении на землю он отклонится от вертикальной оси к востоку.

Все дело в том, что во время вращения наша планета движется быстрее, чем основание здания, поэтому шарик намного «опередит» Землю и будет падать с отклонением от траектории.

Как открыли земную орбиту

В античные времена Птолемей, Аристотель и их последователи считали модель построения Вселенной геоцентрической. Согласно ей, в центре располагалась Земля, а все космические тела вращались вокруг планеты. Впервые сомневаться в этом начал древнегреческий ученый Аристарх Самосский. Наблюдая в III в. до н. э. лунное затмение, он сделал вывод, что Луна не является самостоятельным светилом, а только отражает солнечный свет, и она меньше Солнца по диаметру во много раз. И будет странным, что такой большой небесный объект, как наша звезда, вращается вокруг маленькой Земли.

Геоцентрическая система мира Птолемея. В предложенной системе мира шарообразная Земля покоится в центре Вселенной. Credit: infourok.ru.

Окончательно геоцентрическая теория была развенчана в 1534 г. польским астрономом Н. Коперником, автором гелиоцентрического учения, доказавшим, что Солнце обращаться вокруг Земли не может.

Что такое орбитальная скорость?

Орбитой называют траекторию, по которой конкретная планета движется вокруг Солнца. Она вовсе не представляет собой идеальную окружность, как думают некоторые люди, не разбирающиеся в астрономии. Более того, она даже не слишком напоминает овал – ведь существует большое количество факторов за исключением силы притяжения Солнца, которые могут повлиять на движение небесных тел.

Также стоит сразу развеять другой известный миф – Солнце вовсе не всегда находится ровно в центре орбиты планет, вращающихся вокруг него.

Наконец, следует отметить, что не все орбиты планет лежат в одной плоскости. Некоторые значительно выбиваются из нее – например, если изобразить стандартные орбиты Земли и Венеры на астрономической карте, то можно убедиться в том, что они имеют всего несколько точек пересечения.

Теперь, когда с орбитами более или менее разобрались, можно вернуться к определению термина орбитальной скорости планет. Именно так астрономы называют скорость, с которой планета движется по своей траектории. Она может немного изменяться – в зависимости от того, какие небесные тела проходят поблизости. Особенно это заметно на примере Марса: каждый раз, когда он проходит в сравнительной близости от Юпитера, он немного замедляется, притягиваясь гравитационным полем этого гиганта.

Ученые давно установили зависимость скорости движения планет вокруг Солнца от расстояния до него.

То есть самая ближайшая к Солнцу планета – Меркурий – движется быстрее всего, в то время как скорость Плутона является самой маленькой в Солнечной системе.

С чем это связано?

Дело в том, что скорость каждой планеты соответствует той силе, с которой Солнце притягивает ее на определенном расстоянии. Если скорость будет меньше, то планета будет постепенно приближаться к звезде и в результате сгорит. Если же скорость слишком большая, то планета просто улетит от центра нашей Солнечной системы.

Каждый астроном, даже начинающий, прекрасно знает, что сила притяжения уменьшается по мере удаления от Солнца. Именно поэтому, чтобы сохранить свое место в Солнечной системе, Меркурий вынужден носиться с бешеной скоростью, Марс может двигаться помедленнее, а Плутон и вовсе едва перемещается.

Движение окружности по которой движется планета вокруг Земли. Пути, по которым вращаются планеты вокруг Солнца

Пути, по которым вращаются планеты вокруг Солнца , называются их орбитами . Орбиты планет представляют собой эллипсы, или вытянутые окружности. Впервые это доказал гениальный математик и астроном Иоганн Кеплер .

Степень вытянутости планетных орбит различна и сравнительно невелика. Наибольшей вытянутостью обладают орбиты Меркурия и Плутона. Что касается земной орбиты, то можно сказать, что она почти не отличается от окружности .

Эллипс нетрудно нарисовать. Возьмём небольшой длины нить и свяжем её концы между собой. Наденем эту нить на две булавки, воткнутые в лист бумаги, плотно лежащий на столе, одна от другой на расстоянии, немного меньшем половины всей нити.

Натянем карандашом нить и, сохраняя ее в этом положении, проведём им по листу бумаги, лежащему на столе. Получится эллипс.

Точки, в которые воткнуты булавки, называются фокусами . Солнце находится в одном из фокусов эллипсов орбит Земли и всех других планет солнечной системы.

Фокусы планетных орбит находятся очень близко к центрам эллипсов, которые лежат как раз посредине между фокусами.

Венера

Следующая планета в нашей системе – Венера. Единственная, на которой Солнце встает на западе и садится на востоке. Расстояние до центра системы – 108 миллионов километров. Благодаря этому скорость движения планеты по орбите значительно меньше, чем у Меркурия (всего 35 километров в секунду). Причем это единственная планета, у которой орбита действительно представляет собой практически идеальную окружность – погрешность (или, как говорят эксперты, эксцентриситет) крайне мала.

Попятное, прямое и петлеобразное движение планет

Прямым движением планет называют движение небесных тел с запада на восток, то есть по направлению движения Солнца.

Попятное, или как его еще называют ретроградное движение планет – представляет собой перемещение небесных сфер по отношению к звездам по небосводу с востока на запад. Другими словами данное направление является противоположным движению Солнца и Луны.

Видимое движение солнечных планет всегда изучается с учетом движения планеты, за которой наблюдаем, и самим Земным шаром по своим орбитам вокруг Светила. Исходя из закона Ньютона о всемирном тяготении, чем дальше планета расположена от Солнца, тем меньше скорость ее обращения. Из-за разной скорости движения в момент «противостояния», планета, расположившаяся ближе к Солнцу, начинает «обгонять» ту, которая находится на более удаленном расстоянии. Кроме этого, во время попятного движения, человек фиксирует, что планеты движутся по петлям, возникающим в результате наклона планетарных орбит относительно плоскости эклиптики. Другими словами, попятное движение внешних планет возникает не потому что они начинают двигаться в обратном направлении, а потому что в определенные моменты Земля обгоняет другие небесные сферы из-за своей приближенности к Солнцу и более высокой скорости вращения по своей орбите.

От Птолемея до Ньютона

Представления о том, как расположены планеты на небосводе первым в своем трактате «Великое математическое построение по астрономии», высказал древнегреческий астроном Птолемей. Он первым предположил, что они совершают свои движения по кругу. Но Птолемей ошибочно считал, что все планеты, а также Луна и Солнце движутся вокруг Земли. Долгое время его трактат считался общепринятым как в арабском, так и западном мире.

Точку в этом спорном для человечества факте поставил Николай Коперник. Польский астроном создал свою гелиоцентрическую систему, в которой убедительно доказал, что Земля не является центром Вселенной, а все планеты, по его твердому убеждению, вращаются по орбитам вокруг Солнца. Работа польского ученого «О вращении небесных сфер», была издана в немецком Нюрнберге в 1543 году.

После смерти Коперника его труды продолжил датчанин Тихо Браге. Астроном, являющийся весьма состоятельным человеком, оборудовал принадлежащий ему остров, внушительными бронзовыми кругами, на которые наносил результаты наблюдения за небесными телами. Результаты, полученные Браге, помогли в исследовании математику Иоганну Кеплеру,который вывел три своих знаменитых закона движения планет.

Англичанин Исаак Ньютон, открыв закон всемирного тяготения, существенно продвинул представления человечества об эллиптических орбитах небесных тел. Его объяснения, что приливы и отливы на Земле происходят под влиянием Луны, оказались убедительными для научного мира.

Меняем направление: центростремительное ускорение

При вращательном движении по окружности линейная скорость мячика постоянно меняет направление, как показано на рис. 7.2. Ускорение, характеризующее такое изменение скорости, называется центростремительным (или центробежным). В любой точке вращательного движения с постоянной величиной и меняющимся направлением вектор линейной скорости перпендикулярен радиусу.

Если в показанных на рис. 7.2 положениях нить, удерживающая мяч, оборвется, то куда полетит мяч? Если в этот момент вектор линейной скорости направлен влево, то мяч полетит влево, а если этот вектор направлен вправо, то мяч полетит вправо, и т.д. Этот, казалось бы, простой и интуитивно понятный момент часто вызывает трудности у тех, кто впервые постигает физику.

Управляем скоростью с помощью центростремительного ускорения

Особенностью равномерного вращательного движения является постоянство величины линейной скорости. Это значит, что вектор ускорения не имеет компоненты, параллельной вектору линейной скорости, поскольку в противном случае величина линейной скорости менялась бы. Однако при равномерном вращательном движении меняется только направление линейной скорости. Такое изменение линейной скорости поддерживается центростремительным ускорением, направленным к центру окружности вращения и перпендикулярно вектору линейной скорости.

В примерах на рис. 7.1 и 7.2 на мяч со стороны нити действует сила натяжения нити, которая поддерживает его движение по окружности. Именно эта сила сообщает мячу центростремительное ускорение ​\( a_ц \)​, вектор которого показан на рис. 7.1. (Попробуйте раскрутить мяч с помощью привязанной к нему нити, и вы сразу же почувствуете действие этой силы со стороны нити.)

Часто возникает вопрос: если вектор ускорения мяча направлен к центру окружности, то почему мяч не движется к центру? Дело в том, что при равномерном вращательном движении это ускорение меняет только направление, а не величину линейной скорости.

Определяем величину центростремительного ускорения

Нам уже известно направление вектора центростремительного ускорения, а чему же равна его величина? Итак, величина центростремительного ускорения объекта, равномерно движущегося с линейной скоростью ​\( v \)​ по окружности с радиусом ​\( r \)​, равна:

Как видите, величина центростремительного ускорения обратно пропорциональна радиусу окружности ​\( r \)​ и прямо пропорциональна квадрату скорости ​\( v \)​. Поэтому не удивительно, что автомобиль на более крутых поворотах испытывает более сильное центростремительное ускорение.