Что удерживает планеты на их орбитах вокруг солнца
Гравитация, или На чём держится мир
Гравитация — это сила, которая действует на каждого обитателя Земли, впрочем, как и на саму Землю. Утрируя, можно сказать, текущий вид Вселенной существует благодаря силе притяжения. А значит пора разобраться, что такое гравитация простыми словами.
Определение гравитации
Слово «гравитация» происходит от латинского gravitas — вес.
Гравитация — сила, с помощью которой планета или другое тело притягивает объекты к своему центру. Именно благодаря ей мы не улетаем в космос, всегда притягиваясь к Земле. Так и планеты Солнечной системы всегда испытывают притяжение звезды и остаются на своих местах.
Как работает гравитация
Сила притяжения зависит от массы объектов и расстояния межу ними. Все, что имеет массу, имеет и гравитацию. Объекты с большей массой имеют большую гравитацию. Она ослабевает с расстоянием, и чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее их тяготение.
Исаак Ньютон был первым, кто математически описал гравитацию и то, что она одинаково действует на все объекты во Вселенной: от падающего яблока до планет, которые движутся вокруг звезды. Так и появился закон всемирного тяготения, которого придерживались веками.
Сила притяжения F между двумя материальными точками с массами 
и , разделёнными расстоянием , действует вдоль соединяющей их прямой, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния.
Здесь — гравитационная постоянная, равная 6,67408(31)·10 −11 м³/(кг·с²).
Кстати, падение яблока на голову Ньютона — это миф. Он действительно любил отдыхать под яблоней, и наблюдения за падающими яблоками натолкнуло его на мысль о всемирном тяготении. Но по голове Ньютона ничего не било.
Теория Ньютона объясняла гравитацию как некую силу. Но в последствии появилась теория Эйнштейна, в основе которой подход геометрический. Если простыми словами: крупные объекты искривляют пространство-время вокруг себя, а в это «искривление» попадают другие объекты.
Этот принцип хорошо показан в этом ролике:
Теория Энштейна — является действующей на сегодня.
Насколько важна гравитация?
Очень важна! Гравитация — это одна из сил фундаментальных взаимодействий, которым подчиняется всё, что есть во Вселенной. Вот эти взаимодействия:
Именно благодаря им мир такой, каким мы его знаем. Гравитация в этом списке является самым крупномасштабным, но одновременно и самым слабым взаимодействием, остальные — определяют взаимодействия на уровне частиц.
Как гравитация повлияла на Вселенную
Именно сила притяжение создает звезды и планеты, собирая вместе материал, из которого они сделаны. Гравитация — это то, что удерживает планеты на орбите вокруг Солнца и то, что удерживает Луну на орбите вокруг Земли.
Роль гравитации для землян
Те условия, в которых мы живём, были бы невозможны без неё. Она удерживает нашу планету на одинаковом расстоянии от Солнца, не позволяет атмосфере покинуть пределы Земли, как и всему, что находится на её поверхности. Гравитационное притяжение Луны притягивает к себе моря, вызывая приливы океана.
Луна и приливы на Земле
Гравитация очень важна для нас. Мы не могли бы жить на Земле без неё. Тяготение Солнца удерживает Землю на орбите вокруг него на постоянном комфортном для жизни расстоянии. Сила притяжения удерживает нашу атмосферу и воздух, которым мы дышим.
Гравитация — это то, что скрепляет наш мир.
Однако гравитация не везде одинакова на Земле. Она немного сильнее в местах с большей массой под землей, чем в местах с меньшей массой.
Есть ли гравитация у человека?
У каждого материального объекта есть своя сила притяжения, и человек не является исключением.
О выходе новых статей рассказываем в соцсетях
Что такое гравитация и как она работает
Что такое гравитация: Freepick
Что такое гравитация и как она работает, узнаем еще в школе. Многие помнят историю о том, как яблоко оказалось на голове Ньютона, в результате чего ученый открыл закон всемирного тяготения. Однако явление гравитации не такое простое, как может показаться на первый взгляд.
Что такое гравитация и история ее открытия
Термин «гравитация» имеет латинское происхождение. Он произошел от слова gravitas, что означает ‘вес’. Также известно слово «гравитировать», которое описывает процесс, когда объекты притягиваются друг к другу. Именно эта сила удерживает нас на Земле, а саму планету удерживает в определенном пространстве Солнечной системы.
Какое дают определение гравитации? Это сила, притягивающая тела друг к другу. Все, что состоит из материи, то есть все, до чего можно дотронуться, обладает гравитационным притяжением. Это и человек, и планета, и яблоко.
Избежать действия гравитационной силы невозможно. Даже на космонавтов, которые в космосе находятся в невесомости, она влияет. Только очень быстрое движение помогает им сохранять постоянное состояние свободного падения.
Пытливое человечество на протяжении тысяч лет интересовалось гравитацией, как пишет в исследовании «Гравитация и Вселенная» Р. Дикке:
Падение предметов и гравитация: Freepick
Прорывом в описании гравитации стал закон всемирного тяготения авторства Исаака Ньютона. Легенда гласит, что на голову ученого с дерева упало яблоко. После этого случая он задумался о силе, которая заставляет предметы падать на землю. Свои мысли Ньютон выразил математически и показал, что:
Движение некоторых планет, например Меркурия, с помощью этого закона классической физики объяснить не удавалось.
Научные поиски продолжились, и позже Эйнштейн, благодаря своей теории общей относительности, изменил взгляды физиков на понятие гравитации. Эта теория объясняет воздействие гравитации не как силу, а как кривую в пространстве-времени, возникающую рядом с крупными объектами. Эти гипотезы помогли объяснить необычную орбиту Меркурия.
Исследования гравитации продолжаются и сейчас, после того как теория относительности объяснила некоторые несоответствия в ньютоновской гравитации. Вселенная предлагает ученым тайны, которые они пока не в силах объяснить. Так, гравитация не сочетается с теорией квантовых полей. Продолжаются исследования того, как эта сила взаимодействует с другими фундаментальными силами.
Изучение гравитации имеет практическое применение. С помощью космических аппаратов НАСА отслеживаются изменения гравитации Земли, благодаря чему ученые фиксируют изменения уровня морей и земной коры.
Принципы работы гравитации и почему она важна
Гравитация имеет очень большое значение. Благодаря этой силе предметы не только удерживаются на Земле, но и имеют вес. На планетах, где гравитационная тяга меньше, вес уменьшится. Гравитация была необходима для создания Вселенной, а сейчас служит стабилизирующей силой:
На то, как работает гравитация, влияет масса объектов и расстояние между ними:
Движение Земли: Freepick
На современном этапе развития физики говорят о четырех фундаментальных силах во Вселенной: гравитации, электромагнитном, слабом и сильном взаимодействиях. Эти силы влияют на движение объектов и фактически определяют, как будет взаимодействовать все во Вселенной.
Гравитация считается самой слабой из них, но ее легко увидеть и почувствовать, а по масштабам воздействия она очень влиятельна. Гравитация — фактор, который заставляет людей ходить по Земле, одновременно удерживает планеты на их орбитах вокруг Солнца, а само Солнце на его месте в Галактике.
Если внезапно по какой-то причине гравитация исчезнет, то все предметы, которые не прикреплены к поверхности Земли, продолжат движение вслед за движением планеты и быстро окажутся на просторах космоса:
Как отмечает сотрудница Портсмутского университета Карен Мастерс, такие процессы в конечном итоге разрушили бы планету, так как не осталось бы силы, которая могла удерживать ее в виде единого целого.
Такова могущественная и загадочная сила — гравитация. Ее воздействие люди испытывают на себе каждую секунду и часто мечтают ее преодолеть. На самом деле без воздействия гравитации наша жизнь оказалась бы невозможной.
Уникальная подборка новостей от нашего шеф-редактора
Тест по астрономии на тему «Законы Кеплера». 10-11 класс
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Учитель: Елакова Галина Владимировна.
Место работы: МБОУ «СОШ №7» г. Канаш Чувашской Республики
Тест по теме: «Законы Кеплера – законы движения небесных тел».
Проверка и оценка знаний – обязательное условие результативности учебного процесса. В соответствии общими целями обучения и развития учащихся, требованиями ФГОС по астрономии к уровню подготовки выпускников школы проверяется не только овладение определенной системой понятий и законов, но и освоение экспериментальных методов познания окружающего мира.
Тестовый тематический контроль может проводиться устно или письменно, фронтально или по группам с разным уровнем подготовки. Такая проверка экономна по времени, обеспечивает индивидуальный подход.
Данный тест позволяет быстро и объективно оценить уровень подготовки учащихся, выявить типичные ошибки и определить пробелы в знаниях. Тест содержит 10 вопросов, на каждый вопрос предлагается несколько ответов, из которых учащимся нужно выбрать один правильный. Учитывая неоднородность класса и индивидуальные способности обучающихся, учитель может предложить некоторые задачи выборочно. В течение учебного года ученик может переходить с одного уровня сложности на другой, более высокий. Тест рассчитан на выполнение в течение 10-15минут. Выполняя тестовые задания, учащиеся должны пользоваться приложениями, данными в учебнике, брать из таблиц нужные для решения задач величины. Задачи и задания, содержащие в тестовых работах, направлены на формирование умений, требуемых программой, а также на контроль за степенью их сформированности и уровнем знаний учащихся по основным вопросам курса астрономии. Оценка знаний учащихся по итогам выполнения теста может производиться по шкале:
1. Ближайшую к Солнцу точку орбиты называют…
А) Афелием;
Б) Перигелием;
2. Ближайшая к Земле точка орбиты Луны или какого-нибудь искусственного спутника Земли называется…
А) Перигелием;
Б) Апогеем;
В) Перигеем.
3. Объясните с помощью закона Ньютона, почему спутники удерживаются на орбитах около своих планет.
А) На своей орбите около планеты спутник удерживается вследствие сложения двух движений – прямолинейного движения по инерции и движения к планете, вызываемого ее притяжением.
Б) На своей орбите около планеты спутник удерживается вследствие прямолинейного движения по инерции.
В) На своей орбите около планеты спутник удерживается вследствие движения к планете, вызываемого ее притяжением.
4. Приведите два факта, которые подтверждают аккреционную (аккреция – конденсация вещества) теорию образования Солнечной системы.
А) Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении. Орбиты всех планет лежат почти в плоскости эклиптики.
Б) Планеты гиганты обращаются вокруг Солнца в одном направлении, а планеты земной группы – в другом направлении.
В) Часть планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца с запада на восток, а другая часть – наоборот. Орбиты всех планет лежат почти в плоскости эклиптики.
5. Как меняется значение скорости движения планеты при ее перемещении от перигелия к афелию?
А) Уменьшается согласно второму закону Кеплера: в перигелии она минимальна, а в афелии максимальна.
Б) Увеличивается согласно второму закону Кеплера: в перигелии она максимальна, а в афелии минимальна.
В) Уменьшается согласно второму закону Кеплера: в перигелии она максимальна, а в афелии минимальна.
6. Почему движение планет происходит не в точности по законам Кеплера?
А) В Солнечной системе не одна планета, а много, и каждая из них испытывает со стороны других возмущения.
Б) В Солнечной системе не одна планета, а много, и каждая из них движется петлеобразно.
В) В Солнечной системе не одна планета, а много, и каждая из них практически имеет несколько спутников.
7. Как зависят периоды обращения спутников от массы планет?
8. Как далеко от Солнца находится планета, если ее орбитальный период составляет 8 лет?
9. Большая полуось орбиты Марса 1,5 а.е. Чему равен звездный период его обращения вокруг Солнца?
А) 29, 3 лет
Б) 18,65 года.
В) 1,86 года.
1. Наиболее удаленную к Солнцу точку называют…
А) Афелием;
Б) Перигелием;
2. Наиболее удаленная к Земле точка орбиты Луны или какого-нибудь искусственного спутника Земли называется…
А) Перигелием;
Б) Апогеем;
В) Перигеем.
3. Что удерживает планеты на их орбитах вокруг Солнца?
А) На орбитах вокруг Солнца планета удерживается вследствие сложения двух движений – прямолинейного движения по инерции и движения к планете, вызываемого ее притяжением.
Б) На орбитах вокруг Солнца планета удерживается вследствие сложения прямолинейного движения по инерции и движения по направлению к Солнцу под действием силы солнечного притяжения.
В) На своей орбите около Солнца планета удерживается вследствие прямолинейного движения по инерции.
4. Как меняется значение скорости движения планеты при ее перемещении от афелия к перигелию?
А) В афелии скорость планеты максимальная, затем она возрастает и в перигелии становится минимальной.
Б) В афелии скорость планеты минимальная, затем она возрастает и в перигелии становится максимальной.
В) В афелии скорость планеты минимальная, затем она возрастает и в перигелии становится равной нулю.
5. Как происходит видимое движение планет?
А) Планеты перемещаются петлеобразно.
Б) Планеты перемещаются по окружности.
В) Планеты перемещаются по эллипсу.
6. В чем состояло уточнение Ньютоном третьего закона Кеплера?
А) Во введении в формулу третьего закона Кеплера множителя, учитывающего суммарную массу Солнца и планеты.
Б) Во введении в формулу второго закона Кеплера множителя, учитывающего суммарную массу Солнца и планеты.
В) Во введении в формулу первого закона Кеплера множителя, учитывающего суммарную массу Солнца и планеты.
7. При каких условиях движение небесных тел будет происходить в точности по законам Кеплера?
А) Если в Солнечной системе одна планета.
Б) Если в Солнечной системе не одна планета, а много, и каждая из них испытывает со стороны других возмущения.
В) В случае, если существуют лишь два взаимно притягивающихся тела.
8 . Большая полуось орбиты Юпитера 5 а.е. Каков звездный период его обращения вокруг Солнца?
А) 11,5 года
Б) 29, 3 лет
В) 1, 86 лет
9. Звездный период обращения Юпитера вокруг Солнца составляет 12 лет. Каково среднее расстояние Юпитера до Солнца?
10. Комета Галлея имеет эксцентриситет е=0,967 и период обращения 76 лет. Определите большую полуось орбиты, перигельное и афельное расстояния кометы. Где расположен афелий кометы?
Решение задачи №8: Согласно третьему закону Кеплера, а ³= Т ² , где а — расстояние планеты от Солнца, Т – орбитальный период планеты в годах находится из наблюдений.
а ³= Т ² , а ³= 8 ² = 64, значит, а = 
= 4 а.е.
Решение задачи №9: Согласно третьему закону Кеплера, а ³= Т ² , где а — расстояние планеты от Солнца, Т – орбитальный период планеты в годах находится из наблюдений.
Т = Т =
³ года = 1, 86 года.
Решение задачи №10: Пусть в перигелии V п = 61′ в сутки, в афелии V а = 57′ в сутки; по третьему закону Кеплера и с учетом угловой скорости в афелии и перигелии имеем
Решение задачи №8: Согласно третьему закону Кеплера, а ³= Т ² , где а — расстояние планеты от Солнца, Т – орбитальный период планеты в годах находится из наблюдений.
а ³= Т ² , значит, Т =³ года = 1, 86 года.
Решение задачи №9: Если принять расстояние Земли от Солнца и период обращения за 1, то по третьему закону Кеплера а =
² = 5 а.е.
Решение задачи №10: Используя третий закон Кеплера значение большой полуоси Земной орбиты, определяем перигельное q и афельное Q расстояния; где а для Земли 1а.е., Т з земли 1 год, Т г = 76 лет.
T²/T з ² = а³/a з ³; а = 
= 17,942 а.е.
Q = а(1 + е) = 17,942(1 + 0, 967) = 35,292 а.е.
1. Б.А. Воронцов-Вильяминов, Е.К. Страут; «Астрономия», Издательство «Дрофа».
2. Левитан Е.П., 2Астрономия», М.: «Просвещение»,1994.
3. Малахова Г.И, Страут Е.К., «Дидактический материал по астрономии», М.: «Просвещение»,1989.
4. Моше Д.:»Астрономия»: Кн. для учащихся. Перевод с англ./Под ред. А.А. Гурштейна;
7. Тихомирова С.А., «Физика» 11 класс, М.: Мнемозина, 2008.
8. Шеффер О.Р., Шахматова В.В., «Методика изучения астрономии в курсе физики основной и средней(полной) школе»; Челябинск, Издательство: ИИУМЦ «Образование», 2010.
Как работают атомы
Что удерживает электрон в атоме на орбите атомного ядра?
На первый взгляд, особенно если смотреть на мультяшную версию атома, описанную мною ранее со всеми её недостатками, электроны, двигающиеся по орбите вокруг ядра, выглядят так же, как планеты, двигающиеся по орбите вокруг Солнца. И вроде бы принцип этих процессов одинаков. Но есть подвох.
Что удерживает планеты на орбите вокруг Солнца? В Ньютоновской гравитации (Эйнштейновская сложнее, но тут она нам не нужна) любая пара объектов притягивается друг к другу посредством гравитационного взаимодействия, пропорционального произведению их масс. В частности, гравитация Солнца притягивает к нему планеты (с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. То есть, если расстояние уменьшается вдвое, сила увеличивается вчетверо). Планеты тоже притягивают Солнце, но оно настолько тяжёлое, что это почти не влияет на его движение.
Инерция, тенденция объектов к перемещению по прямым линиям в случае отсутствия действия на них других сил, работает против гравитационного притяжения, и в результате планеты двигаются вокруг Солнца. Это видно на рис.1, где изображена круговая орбита. Обычно эти орбиты эллиптические – хотя в случае планет они почти круглые, поскольку так формировалась Солнечная система. Для различных мелких камней (астероидов) и глыб льда (комет), двигающихся по орбитам вокруг Солнца, это уже не так.
Сходным образом все пары электрически заряженных объектов притягиваются или отталкиваются друг от друга, с силой, тоже обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Но, в отличие от гравитации, которая всегда притягивает объекты вместе, электрические силы могут как притягивать, так и отталкивать. Объекты, обладающие одинаковыми, положительными или отрицательными зарядами, отталкиваются. А отрицательно заряженный объект притягивает положительно заряженный объект, и наоборот. Отсюда и романтическая фраза «противоположности притягиваются».
Поэтому положительно заряженное атомное ядро в центре атома притягивает легковесные электроны, двигающиеся на задворках атома, к себе, примерно как Солнце притягивает планеты. Электроны тоже притягивают ядро, но масса ядер настолько больше, что их притяжение почти не влияет на ядро. Электроны также отталкиваются друг от друга, что является одной из причин, по которым они не любят проводить время близко друг к другу. Можно было бы считать, что электроны в атоме перемещаются по орбитам вокруг ядра примерно так же, как планеты перемещаются вокруг Солнца. И на первый взгляд, именно так они и поступают, особенно в мультяшном атоме.
Но вот, в чём подвох: на самом деле, это двойной подвох, и каждый из двух подвохов оказывает эффект, противоположный другому, в результате чего они взаимно уничтожаются!
Двойной подвох: как атомы отличаются от планетных систем
Первый подвох: в отличие от планет, электроны, двигающиеся по орбитам вокруг ядра, должны излучать свет (точнее, электромагнитные волны, одним из примеров которых служит свет). А это излучение должно заставлять электроны замедляться и по спирали падать на ядро. В принципе, в теории Эйнштейна существует схожий эффект – планеты могут испускать гравитационные волны. Но он чрезвычайно мал. В отличие от случая с электронами. Получается, что электроны в атоме должны очень быстро, за малую долю секунды, по спирали упасть на ядро!
И они бы так и сделали, если бы не квантовая механика. Потенциальная катастрофа изображена на рис. 2.
Второй подвох: но наш мир работает согласно принципам квантовой механики! А у неё есть свой удивительный и контринтуитивный принцип неопределённости. Этот принцип, описывающий тот факт, что электроны – это такие же волны, как и частицы, заслуживает своей собственной статьи. Но вот, что нам нужно знать о нём для сегодняшней статьи. Общее следствие этого принципа состоит в том, что невозможно знать все характеристики объекта одновременно. Существуют наборы характеристик, для которых измерение одной из них делает другие неопределёнными. Один из случаев – это местоположение и скорость таких частиц, как электроны. Если вы точно знаете, где находится электрон, вы не знаете, куда он направляется, и наоборот. Можно достичь компромисса и с некоторой точностью знать, где он, и с некоторой точностью знать, куда он направляется. В атоме так всё и получается.
Допустим, электрон по спирали падает на ядро, как на рис. 2. В процессе его падения нам всё точнее и точнее будет известно его местоположение. Тогда принцип неопределённости говорит нам, что его скорость будет становиться всё более и более неопределённой. Но если электрон остановится на ядре, его скорость не будет неопределённой! Поэтому он не может остановиться. Если он вдруг попробует упасть вниз по спирали, ему придётся всё быстрее и быстрее передвигаться случайным образом. И это увеличение скорости уведёт электрон в сторону от ядра!
Так что тенденция падения по спирали будет нейтрализована тенденцией к более быстрому движению согласно принципу неопределённости. Баланс находится, когда электрон располагается на предпочтительном расстоянии от ядра, и это расстояние определяет размер атомов!
Если электрон изначально находится далеко от ядра, он будет двигаться к нему по спирали, как показано на рис. 2, и излучать электромагнитные волны. Но в результате его расстояние от ядра станет достаточно малым для того, чтобы принцип неопределённости запретил дальнейшее сближение. На этом этапе, когда найден баланс между излучением и неопределённостью, электрон организует стабильную «орбиту» вокруг ядра (точнее, орбиталь – этот термин выбран, чтобы подчеркнуть, что в отличие от планет, у электрона из-за квантовой механики нет таких орбит, какие есть у планет). Радиус орбитали определяет радиус атома (рис. 3).
Ещё одна особенность – принадлежность электронов к фермионам – заставляет электроны не спускаться до одного радиуса, и выстраиваться по орбиталям разных радиусов.
Насколько атомы крупные? Приближение на основе принципа неопределённости
На самом деле мы можем примерно оценить размер атома, используя только расчёты для электромагнитных взаимодействий, массу электрона и принцип неопределённости. Для простоты проделаем расчёты для атома водорода, где ядро состоит из одного протона, вокруг которого двигается один электрон.
где ℏ — это постоянная Планка h, делённая на 2 π. Обратите внимание, он говорит, что (Δ v) (Δ x) не может быть слишком малым, что означает, что обе определённости не могут быть слишком малыми, хотя одна из них может быть очень малой, если другая будет очень большой.
Когда атом устанавливается в предпочтительном основном состоянии, мы можем ожидать, что знак ≥ превратится в знак
B означает, что «A и B не совсем равны, но и не сильно отличаются». Это очень полезный символ для оценок!
Для атома водорода в основном состоянии, в котором неопределённость положения Δx будет примерно равна радиусу атома R, а неопределённость скорости Δv будет примерно равна типичной скорости V движения электрона вокруг атома, мы получим:
Как узнать R и V? Между ними и силой, удерживающей атом вместе, существует взаимоотношение. В неквантовой физике объект массы m, находящийся на круговой орбите радиуса r, и двигающийся со скоростью v вокруг центрального объекта, притягивающего его с силой F, будет удовлетворять уравнению
где k – константа Кулона, e – единица заряда, c – скорость света, ℏ — это постоянная Планка h, делённая на 2 π, а α – определённая нами постоянная тонкой структуры, равная 
. Совместим два предыдущих уравнения для F, и оценочное соотношение получается следующим:
Теперь применим это к атому, где v → V, r → R, и m → me. Также умножим верхнее уравнение на 
. Это даёт:
На последнем шаге мы использовали наше соотношение неопределённости для атома, . Теперь можно вычислить радиус атома R:
И это оказывается практически точным! Такие простые оценки не дадут вам точных ответов, но очень хорошее приближение обеспечат!