Почему Луна не падает на Солнце?

Луна падает на Солнце так же, как и на Землю, т. е. лишь настолько, чтобы оставаться примерно на одном расстоя-нии, обращаясь вокруг Солнца.

Вокруг Солнца обращается Земля вместе со своим спутником -- Луной, зна-чит, и Луна обращается вокруг Солнца.

Возникает такой вопрос: Луна не падает на Землю, потому что, имея на-чальную скорость, движется по инерции. Но по третьему закону Ньютона силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по величине и противопо-ложно направ-лены. Поэтому, с какой силой Земля притягивает к себе Луну, с такой же си-лой Луна притягивает Землю. Почему же Земля не падает на Луну? Или она тоже обращается вокруг Луны?

Дело в том, что и Луна, и Земля обращаются во-круг общего цен-тра масс, или, упрощая, можно сказать, вокруг общего центра тяжести. Вспом-ните опыт с ша-риками и центро-бежной машиной. Масса одного из шариков в два раза больше массы другого. Чтобы шарики, связанные ниткой, при вращ-е-нии остава-лись в равновесии относительно оси вращения, их расстоя-ния от оси, или центра вра-щения, должны быть обратно пропор-циональны массам. Точка, или центр, во-круг которого обраща-ются эти шарики, называется цен-тром масс двух ша-ри-ков.

Третий закон Ньютона в опыте с шариками не нарушается: силы, с кото-рыми шарики тянут друг друга к общему центру масс, равны. В системе Земля -- Луна общий центр масс обра-щается вокруг Солнца.

Можно ли силу, с которой Земля притягивает Лу-ну, назвать ве-сом Луны?

Нет, нельзя. Ве-сом тела мы назы-ваем вызванную притяжением Земли силу, с которой тело давит на какую-ни-будь опору: чашку весов, напри-мер, или растя-гивает пружину динамометра. Если подложить под Луну (со стороны, обра-щенной к Земле) подставку, то Луна на нее не будет давить. Не будет Луна рас-тягивать и пружину динамо-метра, если бы смогли ее подвесить. Все действие силы притяжения Луны Зем-лей выражается лишь в удержании Луны на ор-бите, в сообщении ей центро-стремительного ускорения. Про Луну можно сказать, что по отношению к Земле она неве-сома так же, как невесомы пред-меты в космическом корабле-спутнике, когда прекращается работа двигателя и на корабль действует только сила притяжения к Земле, но эту силу нельзя назы-вать весом. Все предметы, выпускаемые космонавтами из рук (авторучка, блокнот), не падают, а сво-бодно парят внутри кабины. Все тела, находящиеся на Луне, по отношению к Луне, конечно, весомы и упадут на ее поверхность, если не будут чем-нибудь удержи-ваться, но по от-ношению к Земле эти тела бу-дут невесомы и упасть на Землю не могут.

Есть ли центробежная сила в сис-теме Земля -- Луна, на что она дейст-вует?

В системе Земля -- Луна силы взаимного притяже-ния Земли и Луны равны и противоположно направлены, а именно к центру масс. Обе эти силы центрост-ремительные. Центробежной силы здесь нет.

Расстояние от Земли до Луны равно примерно 384 000 км. От-ношение массы Луны к массе Земли равно 1/81. Следовательно, расстояния от центра масс до центров Луны и Земли будут обратно пропорциональны этим числам. Разделив 384 000 км на 81, получим примерно 4 700 км. Значит, центр масс находится на расстоянии 4 700 км от центра Земли.

Радиус Земли равен Около 6400 км. Следовательно, центр масс системы Земля -- Луна лежит внутри земного шара. Поэтому, если не гнаться за точностью, можно говорить об обращении Луны вокруг Земли.

Легче улететь с Земли на Луну или с Луны на Землю, т.к. известно, для того чтобы ракета стала искусствен-ным спутником Земли, ей надо сообщить начальную скорость? 8 км/сек . Чтобы ракета вышла из сферы притяжения Земли, нужна так называемая вторая космическая скорость, равная 11,2 км/сек. Для запуска ракет с Луны нужна меньшая скорость т.к. сила тяже-сти на Луне в шесть раз меньше, чем на Земле.

Тела внутри ракеты становятся невесомыми с того момента, ко-гда прекра-щают работу двигатели и ракета будет свободно лететь по орбите во-круг Земли, находясь при этом в поле тяготения Земли. При свободном по-лете вокруг Земли и спутник, и все предметы в нем относительно центра массы Земли движутся с одинаковым центростремительным ускорением и по-тому не-весомы.

Как двигались не связанные ниткой шарики на центробежной машине: по ра-диусу или по касательной к окруж-ности? Ответ зависит от выбора системы от-счета, т. е. относитель-но какого тела отсчета мы будем рассматривать движение шари-ков. Если за систему отсчета принять поверхность стола, то шарики двигались по касательным к описываемым ими окруж-ностям. Если же принять за систему отсчета сам вращающийся прибор, то шарики двигались по радиусу. Без указания системы отсчета вопрос о движении вообще не имеет смысла. Дви-гаться -- значит перемещаться относительно других тел, и мы должны обя-за-тельно указать, относительно каких именно.

Все в этом мире притягивается ко всему. И для этого не нужно обладать какими-то специальными свойствами (электрическим зарядом, участвовать во вращении, иметь размер не меньше какого-то.). Достаточно просто существовать, как существует человек или Земля, или атом. Тяготение или, как часто говорят физики, гравитация - самое универсальное взаимодействие. И все-таки: все притягивается ко всему. Но как именно? По каким законам? Как это ни удивительно, закон этот один, и причем, он один и тот же для всех тел во Вселенной - и для звезд, и для электронов.

1. Законы Кеплера

Ньютон утверждал, что между Землёй и всеми материальными телами существует сила тяготения, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния.

В XIV веке астроном из Дании Тихо Браге почти 20 лет наблюдал за движением планет и записывал их положения, и смог с наибольшей возможной в то время точностью определить их координаты в различные моменты времени. Его помощник, математик и астроном Иоганн Кеплер, проанализировал записи учителя и сформулировал три закона движения планет:

Первый закон Кеплера

Каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Форму эллипса степень его сходства с окружностью будет тогда характеризовать отношение: e=c/d , где c - расстояние от центра эллипса до его фокуса (половина меж фокусного расстояния); a - большая полуось. Величина e называется эксцентриситетом эллипса. При c = 0 и e = 0 эллипс превращается в окружность с радиусом a.

Второй закон Кеплера (Закон площадей)

Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём площадь сектора орбиты, описанная радиус-вектором планет, изменяется пропорционально времени.

Применительно к нашей Солнечной системе, с этим законом связаны два понятия: перигелий - ближайшая к Солнцу точка орбиты, и афелий - наиболее удалённая точка орбиты. Тогда можно утверждать, что планета движется вокруг Солнца неравномерно: имея линейную скорость в перигелие больше, чем в афелии.

Каждый год в начале января Земля, проходя через перигелий, движется быстрее; поэтому видимое перемещение Солнца по эклиптике к востоку также происходит быстрее, чем в среднем за год. В начале июля Земля, проходя афелий, движется медленнее, поэтому и перемещение Солнца по эклиптике замедляется. Закон площадей указывает, что сила, управляющая орбитальным движением планет, направлена к Солнцу.

Третий закон Кеплера (Гармонический закон)

Третий, или гармонический, закон Кеплера связывает среднее расстояние планеты от Солнца (a) с ее орбитальным периодом (t):

где индексы 1 и 2 соответствуют любым двум планетам.

Ньютон принял эстафету Кеплера. К счастью, от Англии 17-го века осталось немало архивов, писем. Проследим за рассуждениями Ньютона.

Надо сказать, что орбиты большинства планет мало отличаются от круговых. Поэтому будем считать, что планета движется не по эллипсу, а по окружности радиуса R - это не меняет сути вывода, но сильно упрощает математику. Тогда третий закон Кеплера (он остается в силе, ведь окружность - частный случай эллипса) можно сформулировать так: квадрат времени одного оборота по орбите (T2) пропорционален кубу среднего расстояния (R3) от планеты до Солнца:

T2=CR3 (экспериментальный факт).

Здесь С - некоторый коэффициент (постоянная - одна и та же для всех планет).

Т. к. время одного оборота T можно выразить через среднюю скорость движения планеты по орбите v: T=2(R/v, то третий закон Кеплера принимает следующий вид:

Или после сокращения 4(2 /v2=СR.

Теперь учтем, что согласно второму закону Кеплера движение планеты по круговой траектории происходит равномерно, т. е. с постоянной по величине скоростью. Из кинематики нам известно, что ускорение тела, движущегося по окружности с постоянной скоростью, будет чисто центростремительным и равным v2/R. А тогда сила, действующая на планету, по второму закону Ньютона будет равна

Выразим отношение v2/R из закона Кеплера v2/R=4(2 /СR2 и подставим его во второй закон Ньютона:

F= m v2/R=m4(2 /СR2 = k(m/R2), где к=4(2 /С - постоянная для всех планет величина.

Итак, для любой планеты сила, действующая на нее, прямо пропорциональна ее массе и обратно пропорциональна квадрату ее расстояния от Солнца:

Солнце - источник силы, действующей на планету, следует из первого закона Кеплера.

Но если Солнце притягивает планету с силой F, то и планета (по третьему закону Ньютона) должна притягивать Солнце с той же по величине силой F. Причем, эта сила по своей природе ничем не отличается от силы со стороны Солнца: она тоже гравитационная и, как мы показали, тоже должна быть пропорциональна массе (на сей раз - Солнца) и обратно пропорциональна квадрату расстояния: F=k1(M/R2), здесь коэффициент к1 - свой для каждой планеты (возможно, он даже зависит от ее массы!).

Приравнивая обе силы тяготения, мы получаем: km=k1M. Это возможно при условии, что k=(M, а k1=(m, т. е. при F=((mM/R2), где (- постоянная - одна и та же для всех планет.

Поэтому всемирная гравитационная постоянная (не может быть любой - при выбранных нами единицах величин - только такой, какой ее выбрала природа. Измерения дают примерное значение (= 6,7 х10-11 Н. м2/кг2.

2. Закон всемирного тяготения

Ньютон получил замечательный закон, описывающий гравитационное взаимодействие любой планеты с Солнцем:

Следствиями этого закона оказались все три закона Кеплера. Это было колоссальным достижением - найти (один!) закон, управляющий движением всех планет Солнечной системы. Если бы Ньютон ограничился только этим, мы все равно вспоминали бы его при изучении физики в школе и называли бы выдающимся ученым.

Ньютон был гением: он предположил, что тот же самый закон управляет гравитационным взаимодействием любых тел, он описывает поведение Луны, вращающейся вокруг Земли, и яблока, падающего на Землю. Это была удивительная мысль. Ведь общее мнение было - небесные тела движутся по своим (небесным) законам, а земные тела - по своим, “мирским” правилам. Ньютон предположил единство законов природы для всей Вселенной. В 1685 г. И. Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения:

Любые два тела (а точнее, две материальные точки) притягиваются по направлению друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Закон всемирного тяготения - один из лучших примеров, показывающих, на что способен человек.

Сила тяготения, в отличие от сил трения и упругих, не является контактной силой. Этой силе требуется соприкосновения двух тел, чтобы они гравитационно взаимодействовали. Каждое из взаимодействующих тел создает во всем пространстве вокруг себя гравитационное поле - такую форму материи, посредством которой тела гравитационно взаимодействуют друг с другом. Поле, созданное каким-то телом, проявляется в том, что действует на любое другое тело с силой, определяемой всемирным законом тяготения.

3. Перемещение Земли и Луны в пространстве.

Луна, естественный спутник Земли, в процессе своего движения в пространстве испытывает влияние главным образом двух тел - Земли и Солнца. Рассчитаем силу, с которой Солнце притягивает Луну, применив закон всемирного тяготения, получим, что солнечное притяжение в два раза сильнее земного.

Почему же Луна не падает на Солнце? Дело в том, что и Луна, и Земля обращаются вокруг общего центра масс. Общий центр масс Земли и Луны обращается вокруг Солнца. Где находится центр масс системы Земля - Луна? Расстояние от Земли до Луны составляет 384 000 км. Отношение массы Луны к массе Земли равно 1:81. Расстояния от центра масс до центров Луны и Земли будут обратно пропорциональны этим числам. Разделив 384 000 км на 81, получим примерно 4700 км. Значит, центр масс находится на расстоянии 4700 км от центра Земли.

* А чему равен радиус Земли?

* Около 6400 км.

* Следовательно, центр масс системы Земля - Луна лежит внутри земного шара. Поэтому, если не гнаться за точностью, можно говорить об обращении Луны вокруг Земли.

Перемещения Земли и Луны в пространстве и изменение их взаимного положения по "отношению к Солнцу показаны на схеме.

При двукратном преобладании солнечного притяжения над земным кривая движения Луны должна быть вогнутой по отношению к Солнцу во всех своих точках. Влияние близкой Земли, существенно превышающей по массе Луну, приводит к тому, что величина кривизны лунной гелиоцентрической орбиты периодически меняется.

Луна обращается вокруг Земли, удерживаемая силой притяжения. С какой силой Земля притягивает Луну?

Это можно определить по формуле, выражающей закон тяготения: F=G*(Mm/r2) где G - гравитационная постоянная, Mm - массы Земли и Луны, r - расстояние между ними. Сделав вычисление, мы пришли к тому, что Земля притягивает Луну с силой около 2-1020 Н.

Все действие силы притяжения Луны Землей выражается лишь в удержании Луны на орбите, в сообщении ей центростремительного ускорения. Зная расстояние от Земли до Луны и число оборотов Луны вокруг Земли, Ньютон определил центростремительное ускорение Луны, получилось уже известное нам число: 0,0027 м/с2. Хорошее соответствие расчетного значения центростремительного ускорения Луны с его действительным значением подтверждает предположение о единой природе силы, удерживающей Луну на орбите, и силы тяжести. Луну на орбите мог бы удержать стальной канат, имеющий диаметр около 600 км. Но, не смотря на такую огромную силу притяжения, Луна не падает на Землю.

Луна удалена от Земли на расстояние, равное примерно 60 земным радиусам. Следовательно, рассуждал Ньютон. Луна, падая с таким ускорением, должна бы приблизиться к Земле за первую секунду на 0,0013 м. Но Луна, кроме того, движется и по инерции в направлении мгновенной скорости, т. е. по прямой, касательной в данной точке к ее орбите вокруг Земли

Двигаясь по инерции, Луна должна удалиться от Земли, как показывает расчёт, за одну секунду на 1,3 мм. Разумеется, такого движения, при котором за первую секунду Луна двигалась бы по радиусу к центру Земли, а за вторую секунду – по касательной, в действительности не существует. Оба движения непрерывно складываются. В результате Луна движется по кривой линии, близкой к окружности.

Обращаясь вокруг Земли, Луна движется по орбите со скоростью 1 км/сек, т. е достаточно медленно, чтобы не покинуть свою орбиту и "улететь" в космос, но и достаточно быстро, чтобы не упасть на Землю. Можно сказать, что Луна упадет на Землю только в том случае, если не будет двигаться по орбите, т. е. если внешние силы (некая космическая рука) остановят Луну в ее движении по орбите, то она естественным образом упадет на Землю. Однако при этом выделится столько энергии, что говорить о падении Луны на Землю, как твердого тела не приходится. Из всего изложенного можно сделать вывод.

Луна падает, но не может упасть. И вот почему. Движение Луны вокруг Земли является результатом компромисса между двумя "желаниями" Луны: двигаться по инерции - по прямой (из-за наличия скорости и массы) и падать "вниз" на Землю (тоже из-за наличия массы). Можно сказать так: всемирный закон тяготения призывает Луну упасть на Землю, но закон инерции Галилея "уговаривает" ее вообще не обращать на Землю внимания. В результате получается нечто среднее - орбитальное движение: постоянное, без окончания, падение.

Один древний грек, якобы Плутарх, изрёк: дескать, как только Луна замедлит свой бег, она тотчас упадёт на Землю, как камень, выпущенный из пращи. Это было сказано ещё тогда, когда падали звёзды, а не метеориты. Веков так через семнадцать Галилей, вооружённый уже не только искусством разумных обобщений, но и телескопом, продолжил: Луна, мол, не замедляет свой бег потому, что движется по инерции, и движению этому, очевидно, ничто не препятствует. Сказал, как отрезал. Ещё лет через двести свои три копейки вставил Ньютон: мол, уважаемые, если бы Луна двигалась только по инерции, она бы двигалась по прямой, давным-давно исчезнув в бездне Вселенной; Землю и Луну удерживает друг подле друга сила взаимного тяготения, принуждающая последнюю двигаться по окружности. Более того, говорил он, гравитация, являясь, скорее всего, первопричиной любого движения во Вселенной, способна на отдельных участках эллиптической (Кеплеровой) орбиты даже ускорять чуть замедлившийся бег Луны… Лет через сто Кавендиш с помощью свинцовых шаров и крутильных весов доказал существование силы взаимного тяготения. Вот и всё. Стало быть, это инерция и гравитация, принуждающие Луну двигаться по замкнутой орбите, и являются причинами, не позволяющими Луне упасть на Землю. Короче, если гравитационная масса Земли вдруг увеличится, то Луна лишь отодвинется от неё на своей более высокой орбите. Но… Никаких замкнутых орбит – круговых и эллиптических – быть у спутников планет не может. Сейчас мы посмотрим на совместное «падение» Земли и Луны на Солнце и убедимся в этом. Итак, Земля и Луна совместно «падают» в гравитационном пространстве Солнца вот уже около 4-х миллиардов лет. При этом скорость Земли относительно Солнца – примерно 30 км/с, а Луны – 31. За 30 дней Земля проходит по своей траектории 77,8 млн. км (30 х 3600 х 24 х 30), а Луна – 80,3. 80,3 – 77,8 = 2,5 млн. км. Радиус орбиты Луны равен примерно 400000 км. Стало быть, длина окружности орбиты Луны – 400000 х 2 х 3,14 = 2,5 млн. км. Только в наших рассуждениях 2,5 млн. км - это уже «кривизна» почти прямой траектории Луны. Масштабное отображение траекторий Земли и Луны может выглядеть и так: если в одной клетке будет 1 млн. км, то путь, пройденный Землёй и Луной за месяц, не уместится и во весь разворот тетрадки в клеточку, при этом максимальное удаление траектории Луны от траектории Земли в фазах полнолуния и новолуния будет равно всего 2-м миллиметрам. Однако можно взять произвольной длины отрезок, означающий путь Земли, и нарисовать движение Луны за месяц. Движение Земли и Луны происходит справа налево, то есть против часовой стрелки. Если Солнце у нас где-то внизу рисунка, то в правой части рисунка мы точкой обозначим Луну в фазе полнолуния. Пусть Земля в это время будет точно под этой точкой. Через 15 дней Луна будет в фазе новолуния, то есть как раз посередине нашего отрезка и как раз под Землёй на рисунке. В левой части рисунка снова обозначаем точками положение Луны и Земли в фазе полнолуния. Луна в течении месяца дважды пересекает траекторию Земли в так называемых узлах. Первый узел будет примерно в 7,5 сутках от фазы полнолуния. С Земли в это время видна как раз половинка лунного диска. Эта фаза называется первой четвертью, так как Луна к этому времени проходит четверть своего ежемесячного пути. Второй раз Луна пересекает траекторию Земли в последней четверти, то есть примерно в 7,5 сутках от фазы новолуния. Нарисовали? Вот, что интересно: Луна в узле первой четверти находится на 400000 км впереди Земли, а в узле последней четверти – уже на 400000 км позади неё. Выходит, Луна «по верхнему гребню волны» движется с ускорением, а «по нижнему» - с замедлением; путь Луны от узла последней четверти до узла первой четверти на 800000 км длиннее. Конечно, Луна в своём движении по «верхней дуге» ускоряется не самопроизвольно, это Земля своей гравитационной массой захватывает её и как бы перебрасывает через себя. Именно это свойство движущихся планет – захватывать и перебрасывать – и используется для ускорения космических зондов при так называемом гравитационном маневре. Если же зонд пересекает путь планеты спереди неё, то мы имеем гравитационный маневр с замедлением зонда. Всё просто. Фаза полнолуния повторяется через 29 суток 12 часов и 44 минуты. Это синодический период обращения Луны. Теоретически Луна должна проходить свой путь по орбите за 27 суток 7 часов и 43 минуты. Это сидерический период обращения. «Нестыковку» в двое суток в учебниках объясняют перемещением Земли и Луны за месяц относительно круглого Солнца. Мы же объяснили это отсутствием у Луны какой-либо орбиты. Итак, Ньютон «непадение» Луны на Землю объяснял её временными ускорениями при движении по эллиптической орбите. Мы, как думается, объяснили это ещё проще. А главное - правильнее.Виктор Бабинцев

В статье рассказывается о том, почему Луна не падает на Землю, причины движения ее вокруг Земли и некоторые другие аспекты небесной механики нашей Солнечной системы.

Начало космической эры

Естественный спутник нашей планеты всегда привлекал к себе внимание. В древние времена Луна была предметом культа некоторых религий, а с изобретением примитивных телескопов первые астрономы не могли оторваться от созерцания величественных кратеров.

Чуть позже, с открытием в других областях астрономии, стало ясно, что подобный небесный спутник есть не только у нашей планеты, но и у ряда других. А у Юпитера, их целых 67 штук! Но наш лидирует по размеру во всей системе. Но почему Луна не падает на Землю? С чем связано ее движение по одной и той же орбите? Об этом мы и поговорим.

Небесная механика

Для начала, нужно разобраться с тем, что такое движение по орбите и почему оно происходит. Согласное определению, которым пользуются физики и астрономы, орбита — это движение в другого, значительно превосходящего по массе, объекта. Долгое время считалось, что орбиты планет и спутников имеют круговую форму как самую естественную и совершенную, но Кеплер после безуспешных попыток применить эту теорию на движение Марса, отверг ее.

Как известно из курса физики, любые два объекта испытывают взаимные так называемую гравитацию. Те же самые силы влияют на нашу планету и Луну. Но если они притягиваются, то почему Луна не падает на Землю,как было бы логичней всего?

Все дело в том, что и Земля не стоит на месте, а движется вокруг Солнца по эллипсу, как бы постоянно «убегая» от своего спутника. А тот, в свою очередь, имеют инерционную скорость, из-за чего путешествует по опять-таки эллиптической орбите.

Наиболее простой пример, который может объяснить данное явление, это мячик на веревке. Если раскрутить его, то будет удерживать объект в той или иной плоскости, а если сбавить обороты, то ее будет недостаточно и мячик упадет. Такие же силы воздействуют и Земли увлекает ее за собой, не давая стоять на месте, а центробежная сила, развитая в результате вращения, удерживает, не давая приблизиться на критическое расстояние.

Если на вопрос о том, почему Луна не падает на Землю, привести еще более простое объяснение, то причина этому — равное взаимодействие сил. Наша планета притягивает спутник, заставляя вращаться, а центробежная сила как бы отталкивает.

Солнце

Подобные законы действуют не только на нашу планету и спутник, им подчиняются и все остальные Вообще, гравитация — очень интересная тема. Движение планет вокруг часто сравнивают с часовым механизмом, настолько оно точное и выверенное. И главное, нарушить его крайне сложно. Даже если убрать из нее несколько планет, то остальные с очень большой вероятностью, перестроятся на новые орбиты, и коллапса с падением на центральную звезду не произойдет.

Но если наше светило оказывает такое колоссальное гравитационное воздействие даже на самые удаленные объекты, то почему Луна не падает на Солнце?Конечно, звезда находится на гораздо более далеком расстоянии, чем Земля, но и масса его, а значит и гравитация, на порядок выше.

Все дело в том, что и его спутник двигаются также по орбите вокруг Солнца, и последнее воздействует не по отдельности на Луну и Землю, а на их общий центр масс. И на Луну оказывается двойное влияние гравитации, — звезды и планеты, а вслед за ним и центробежной силы, которая уравновешивает их. А иначе все спутники и прочие объекты давно бы сгорели в жарком светиле. Именно таков ответ на частый вопрос о том, почему Луна не падает.

Движение Солнца

Еще стоит упомянуть такой факт, что Солнце также движется! А вместе с ним, и вся наша система, хотя мы и привыкли считать, что космическое пространство стабильное и неизменное, за исключением орбит планет.

Если смотреть более глобально, в рамках систем и целых их скоплений, то можно увидеть, что они также перемещаются по своим траекториям. В данном случае Солнце со своими «спутниками» вращается вокруг центра галактики Если условно представить эту картину сверху, то выглядит она как спираль со множеством ответвлений, которые называются галактические рукава. В одном из таких рукавов вместе с миллионами других звезд, движется и наше Солнце.

Падение

Но все же, если задаться таким вопросом и пофантазировать? Какие нужны условия, при которых Луна врежется в Землю или отправится в путешествие к Солнцу?

Произойти это может, если спутник перестанет вращаться вокруг главного объекта и пропадает центробежная сила, также если его орбиту что-то сильно изменит и добавит скорости, к примеру, столкновение с метеоритом.

Ну а к звезде она отправится, если целенаправленно каким-то образом остановить ее движение вокруг Земли и придать начальное ускорение к светилу. Но вероятнее всего, Луна просто постепенно встанет на новую искривленную орбиту.

Подведем итоги: Луна не падает на Землю, потому что, помимо притяжения нашей планеты, на нее воздействует и центробежная сила, которая ее как бы отталкивает. В результате два этих явления уравновешивают друг друга, спутник не улетает и не врезается в планету.

Управление образования администрации Кемеровского муниципального района

X районная научно-практическая конференция

«Мир открытий»

Секция « География, геология »

Почему Луна не падает на Землю?

Исследовательский проект

Семенов Лавр Юрьевич,

обучающийся 1 класса «Б»

МБОУ «Ягуновская СОШ»

Руководитель:

Калистратова

Светлана Борисовна,

учитель начальных классов

МБОУ «Ягуновская СОШ»

2016

Содержание

Введение …………………………………………………………………………. 3

Глава 1. Луна как предмет исследования …………………………………........ 5

1.1. Изучение источников ……………………………..………………………… 5

1.2. Наблюдения за Луной ...................................................................................... 7

Глава 2. Организация и результаты исследования ……………………………...9

Заключение……………………………………………………………………….. 13

Список литературы и Интернетресурсов……………………………………….. 14

Введение

Мне очень нравится все, что связано с космосом. Я люблю наблюдать за звёздами, находить созвездия, поэтому мы выбрали данную тему для исследования.

В Кемеровском Государственном Университете есть удивительное место – планетарий. Он включен в список планетариев России, которых всего 26, а также в список планетариев мира. "Основатель" нашего планетария, преподаватель, кандидат физико-математических наук Кемеровского Государственного Университета, Кузьма Петрович Мацуков лучше, чем кто-либо, разбирается "в делах звездных". В планетарии проводятся экскурсии, которые раскрывают загадки космоса, рождения Вселенной и звезд. Здесь можно увидеть картину настоящего звездного неба! С помощью проектора звездного неба под куполом планетария мы можем видеть около пяти тысяч звезд, планеты, солнце и луну .

У одних планет спутников много, у других нет совсем. Мы решили разобраться, что же такое спутник. Нас, конечно, заинтересовала Луна, так как она является спутником нашей Земли.

Спросив Кузьму Петровича, почему Луна висит всегда в небе и никуда не улетает, выяснили, что Земля обладает удивительным свойством: она все притягивает к себе. А вот Луна висит в небе и почему-то не падает на Землю. Почему? Попробуем найти ответ на этот вопрос.

Цель исследования: выявить, почему Луна не падает на Землю.

Задачи исследования:

1. Изучить различные источники по данной проблеме (энциклопедии, интернет), посетить планетарий Кемеровского Государственного Университета.

2. Узнать, как образовалась Луна, как Луна влияет на Землю, что связывает Луну с Землей.

3. Провести исследование и на основании полученных данных выяснить, почему Луна не падает на Землю.

Гипотеза исследования: вероятно, что Луна упадет в том случае, если приблизится к Земле. Но, может быть, существует что-то, что удерживает Луну с Землей на расстоянии, поэтому Луна и не падает на Землю.

Глава 1. Луна как предмет исследования

1.1 Изучение источников

Прежде, чем мы будем искать ответ на вопрос «Что же такое, собственно, Луна?», проведем небольшой опрос среди взрослых (5чел.) и детей (5чел.), и выясним, насколько глубоки их познания в данной области.

2чел. – прав.;

3чел. – неправ.

4чел. – прав.;

1чел. – неправ.

Граждане какой страны впервые побывали на Луне? (американцы)

0чел. – прав.;

5чел. – неправ.

5чел. – прав.;

0чел. – неправ.

Как назывался самоходный аппарат, совершивший путешествие по поверхности Луны? («Луноход»)

3чел. – прав.;

2чел. – неправ.

5чел. – прав.;

0чел. – неправ.

Мы знаем, что Земля – магнит. Почему Луна – спутник Земли – не падает на Землю? (Она вращается вокруг Земли)

1чел. – прав.;

4чел. – неправ.

4чел. – прав.;

1чел. – неправ.

Откуда на Луне появились кратеры? (От столкновений с метеоритами)

2чел. – прав.;

3чел. – неправ.

5чел. - прав.;

0чел. - неправ.

Проведя опрос, выяснили, что взрослые могут ответить на вопросы о Луне, а дети нет. Поэтому мы продолжили исследования.

Слово «луна» обозначает «светлая». В древности люди считали Луну богиней – покровительницей ночи.

Луна – единственный естественный спутник Земли. Второй по яркости объект на земном небосводе после Солнца. В настоящее время астрономы с помощью современных приборов с лазерным лучом могут определять расстояние между Землей и Луной с точностью до нескольких сантиметров. Луна удалена от Земли на расстояние 384 400 км. Путешествие туда пешком заняло бы девять лет! На автомобиле нам потребовалось бы ехать на Луну без остановки больше полугода.

Лунный шар гораздо меньше земного: в диаметре - почти в 4 раза, а по объему - в 49 раз. Из вещества земного шара можно сделать 81 шар, каждый из которых весил бы столько же, сколько Луна.

Мы можем всегда видеть только одну сторону Луны. Этакий "небольшой" диск, диаметр которого 3480 км. Примерно в половину площади всей России. Период вращения Луны вокруг оси совпадает с периодом обращения Земли, что составляет 28 с половиной дней, поэтому Луна всегда обращена к Земле одной стороной.

Луна вращается вокруг Земли не строго по окружности, а по приплюснутому кругу - эллипсу. И когда Луна максимально приближается расстояние между Землей и Луной сокращается 356 400 километров . Такое минимальное приближение Луны к Земле называется перигей . А максимальное расстояние называется апогей и равняется целым 406 700 километрам .

Атмосфера отсутствует, поэтому люди не могут на Луне дышать. Температура на поверхности от −169 °C до +122 °C.

Серые пятна на Луне в старину считали морями. Сейчас известно, что на Луне нет ни капли воды, нет и воздушной оболочки - атмосферы. Лунные «моря» представляют собой глубокие впадины, покрытые серыми вулканическими породами. Некоторые из лунных кратеров образовались при падении на Луну из межпланетного пространства железных или каменных тел - метеоритов. Светлые части Луны - это ее горные районы.

На Луне побывали американские астронавты. Много интересного о ней рассказали и наши луноходы, управляемые с Земли. Автоматы и астронавты доставили на Землю лунный грунт. Луна очень мала, и поэтому сила тяжести на ней тоже невелика. Астронавты на Луне весили примерно 1/6 от своего обычного веса на Земле.

Луне 4,5млрд. лет - примерно столько же, сколько Земле. Она образовалась в результате столкновения Земли с одной из маленьких планет. Планета была разрушена, а из ее обломков сформировалась Луна и начала постепенно удаляться от Земли. Расстояние между ней и Землей увеличивается примерно с той же скоростью, с какой растут ногти.

Вращаясь вокруг Земли, Луна воздействует на наши моря силой тяжести. Это притяжение вызывает приливы и отливы.

1.2 Наблюдения за Луной.

Понаблюдаем за Луной, и мы увидим, что вид ее меняется каждый день. Сначала узенький серп, затем Луна полнеет и через несколько дней становится круглой. Еще через несколько дней полная Луна постепенно становится все меньше и меньше и снова делается похожей на серп. Серп Луны часто называют месяцем. Если серп повернут выпуклостью влево, как буква "С", то говорят, что Луна "стареет". Через 14 суток и 19 часов после полнолуния старый месяц исчезнет совсем. Луна не видна. Такую фазу Луны называют "новолунием". Потом постепенно Луна, из узкого серпа, повернутого вправо (если мысленно провести прямую линию через концы серпа, получится буква "Р", т.е. месяц "растет"), превращается снова в полную Луну. Иногда во время новолуния Луна заслоняет Солнце. В такие минуты происходит солнечное затмение. Если Земля во время полнолуния отбрасывает тень на Луну, то наступает лунное затмение. Чтобы Луна снова "выросла", требуется такой же промежуток времени: 14 суток и 19 часов. Изменение вида Луны, т.е. изменение лунных фаз, от полнолуния до полнолуния (или от новолуния до новолуния) происходит каждые четыре недели, точнее, за 29 с половиной суток. Это лунный месяц. Он послужил основой для составления календаря. Можно заранее рассчитать, когда и как будет видна Луна, когда будут темные ночи, а когда светлые. Во время полнолуния Луна повернута к Земле освещенной стороной, а во время новолуния - неосвещенной. Луна - твердое, холодное небесное тело, своего собственного света не излучает, светит на небе только потому, что отражает своей поверхностью свет Солнца. Обращаясь вокруг Земли, Луна поворачивается к ней то полностью освещенной поверхностью, то частично освещенной поверхностью, то темной. Вот поэтому в течение месяца непрерывно меняется вид Луны.

Глава 2. Организация и результаты исследования

На сегодняшний день астрономы представляют себе строение Солнечной системы таким: в центре ее располагается Солнце, а вокруг него кружат, словно привязанные, планеты. Всего их восемь – Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Нептун и Уран. Почему же, все-таки, планеты бегают вокруг Солнца, как привязанные? Они и в самом деле привязаны, только связь эта невидимая. Исаак Ньютон сформулировал очень важный закон - закон всемирного тяготения. Он доказал, что все тела Вселенной - Солнце, планеты с их спутниками, отдельные звезды и звездные системы - притягиваются друг к другу. Сила этого притяжения зависит от размеров небесных тел и от расстояний между ними. Чем меньше расстояние, тем притяжение сильнее. Чем больше расстояние, тем притяжение слабее. Проведем ряд опытов.

Опыт 1. Попробуем подпрыгнуть на месте. Что из этого получилось? Правильно, мы подлетели на несколько сантиметров и опустились снова на землю. Почему мы, подпрыгнув, не улетаем высоко в небо, а затем и в Космос? Да потому, что мы тоже привязаны к нашей планете все той же силой притяжения.

Опыт 2. Возьмем мяч. Он никуда не летит, находится в состоянии покоя, в нашей руке. Мы стоим на полу. Выпускаем мяч из рук, он падает на пол.

Опыт 3. Берем в руки бумажный лист, подкидываем вверх, но он тоже плавно опускается на пол.

Наблюдаем земное притяжение в природе. Видим снег, капли дождя падают на землю. Даже сосульки растут не вверх, а вниз, к земле.

Вывод. Земля действительно мощным притяжением удерживает на своей поверхности все, что на ней находится. Удерживает не только нас с вами и все живущее на Земле, но и все предметы, камни, скалы, пески, воду океанов, морей и рек, атмосферу, окружающую Землю.

Тогда почему же Луна не падает на Землю?

Для начала мы провели опрос среди ребятишек и их родителей на сайте «Кемдетки». Был задан вопрос: «Как Вы думаете, почему Луна не падает на Землю?» Вот некоторые из ответов:

1. Даша, 7 лет: "Потому, что в небе воздух, и он Луну держит".

2. Аня, 7 лет: «Потому, что в невесомости нет притяжения, это ж планета!».

3. Оля, 9 лет: «Потому, что Луна вертится вокруг Земли по своей орбите и не может с нее сойти».

4. Матвей, 5 лет: «Луна – спутник Земли. А в Земле есть ядро-магнит и оно притягивает».

5. Оля, 5 лет: «Держится за воздух».

6. Алиса, 7 лет: «Потому, что ее небо держит и она не может оттолкнуться…».

7. Рома, 6 лет: «Потому, что она прилипла к ночи…».

8. Маша, 6 лет: «А куда здесь ей падать? У нас тут и так места мало».

Изучив статьи в энциклопедиях и Интернете, выяснили, что Луна моментально упала бы на Землю, если бы была неподвижной. Но Луна не стоит на месте, она вращается вокруг Земли. При вращении же образуется сила, которую ученые называют центростремительной, то есть, стремящейся к центру, и центробежная, бегущая от центра. Мы можем убедиться в этом сами, проведя ряд простых экспериментов.

Опыт 1. Привяжем к обычному фломастеру нитку и начнем его раскручивать. Фломастер на нитке будет, прямо-таки, вырываться из нашей руки, но нитка его не отпустит. На фломастер действует центробежная сила, стараясь откинуть его подальше от центра вращения. Так и на Луну действуют центробежная сила, которая не дает упасть ей на Землю. Вместо этого она движется вокруг Земли по постоянному пути. Если мы будем вращать фломастер очень сильно, то нить порвется, а если медленно, то фломастер упадет. Следовательно, если бы Луна двигалась еще быстрее, то она преодолела бы притяжение Земли и улетела в Космос, если бы Луна двигалась медленнее, сила тяжести притянула бы ее к Земле.

F 1 – центробежная сила (бегущая от центра)

F 2- центростремительна сила (ищущая центр)

Опыт 2. Возьмем папу за руки, как в хороводе. Не отпуская его рук, начнем бегать вокруг папы, смотря ему в лицо, а папа пусть поворачивается вслед за нами. Папа - это , а мы будем Луной. Если кружиться совсем-совсем быстро, то можно даже летать, не касаясь пола ногами. И чтобы мы не улетели к стене, папе нас придется держать очень крепко. Вот так же и на небе. Руки папы - Земли сильно схватили Луну и не отпускают ее.

Опыт 3. Также можно привести пример с аттракционом «Карусель», который находится в Городском саду Кемерова. Скорость вращения «Карусели» специально рассчитывается, и, если бы центробежная сила оказалась меньше, чем сила натяжения цепи, иначе это закончилось бы катастрофой.

Опыт 4. Стиральная машина – автомат тоже будет являться примером. Белье, которое в ней стирается, притягивается к стенкам ее барабана, когда он движется с ускорением, происходит отжим белья, и падает только в том случае, когда барабан останавливается.

Вывод. Вот так и Луна. Если бы она не вращалась вокруг Земли, то, наверняка, упала бы на нее. Но центробежные силы не дают ей сделать этого. И убежать Луна тоже не может – сила тяготения Земли удерживают ее на орбите.

Заключение

Итак, изучив литературу по данной проблеме и посетив планетарий Кемеровского Государственного Университета, выяснили:

Что Луна – это единственный естественный спутник Земли. Луне 4,5млрд. лет - примерно столько же, сколько Земле.

С помощью наблюдений мы заметили, что вид Луны меняется каждый день. Такие изменения формы Луны называются фазами.

Также мы сделали выводы, что Луна удерживается Землей силой притяжения между телами. Сила, которая не дает Луне "убежать" при вращении – это сила притяжения Земли (центростремительная) . А сила, которая не дает Луне упасть на Землю – это центробежная сила , которая возникает при вращении Луны вокруг Земли. Если бы Луна двигалась быстрее, то она преодолела бы притяжение Земли и улетела в Космос, если бы Луна двигалась медленнее, сила притяжения притянула бы ее к Земле. Вращаясь вокруг Земли, Луна движется по орбите, со скоростью 1 км/сек, то есть, достаточно медленно, чтобы не покинуть свою орбиту и "улететь" в Космос, но и достаточно быстро, чтобы не упасть на Землю.

Литература и Интернетресурсы

Новая школьная энциклопедия «Небесные тела», М., Росмен, 2005г.

«Почемучка» Детская энциклопедия, М., Росмен, 2005г.

«Почему Луна на Землю не падает?» Зигуненко С.Н., Почемучкины книжки, 2015г.

Ранцини. Ж. «Космос. Сверхновый атлас Вселенной», М.:Эксмо, 2006г.

- «Детки!» сайт для родителей Кемеровской области.

Википедия

Сайт «Для детей. Почемучка»

Сайт «Астрономия и законы космоса»

«Как просто!»