Gibanje okoli vrtilna os je ena izmed pogostih vrst premikajočih se predmetov v naravi. V tem članku bomo to vrsto gibanja obravnavali z vidika dinamike in kinematike. Predstavljamo tudi formule, ki povezujejo osnovne fizikalne količine.

O kakšnem gibanju govorimo?

V dobesednem pomenu bomo govorili o gibanju teles v krožnici, torej o njihovem vrtenju. Osupljiv primer takšno gibanje je vrtenje kolesa avtomobila ali kolesa med premikanjem vozilo. Vrtenje okoli svoje osi s strani umetnostnega drsalca, ki izvaja kompleksne piruete na ledu. Ali pa vrtenje našega planeta okoli Sonca in okoli lastne osi, nagnjene na ravnino ekliptike.

Kot lahko vidite, je pomemben element obravnavane vrste gibanja os vrtenja. Vsaka točka telesa poljubne oblike se okrog sebe krožno giblje. Razdalja od točke do osi se imenuje polmer vrtenja. Številne lastnosti celote mehanski sistem, na primer vztrajnostni moment, linearna hitrost in drugi.

Če je vzrok za linearno translacijsko gibanje teles v prostoru zunanja sila, ki deluje nanje, potem je vzrok za gibanje okoli osi vrtenja zunanji moment sile. Ta količina je opisana kot vektorski produkt uporabljene sile F¯ in vektorja razdalje od točke njene uporabe do osi r¯, to je:

Delovanje momenta M¯ vodi do pojava kotnega pospeška α¯ v sistemu. Obe količini sta med seboj povezani preko določenega koeficienta I z naslednjo enakostjo:

Količino I imenujemo vztrajnostni moment. Odvisna je tako od oblike telesa kot od porazdelitve mase v njem in od razdalje do vrtilne osi. Za materialno točko se izračuna po formuli:

Če je zunanja enaka nič, potem sistem ohrani svoj moment L¯. To je še ena vektorska količina, ki je po definiciji enaka:

Tukaj je p¯ linearni impulz.

Zakon o ohranitvi navora L¯ je običajno zapisan v naslednji obliki:

Kjer je ω kotna hitrost. O njem bomo razpravljali naprej v članku.

Kinematika vrtenja

Za razliko od dinamike ta veja fizike obravnava izključno praktično pomembne količine, povezane s časovnimi spremembami položaja teles v prostoru. To pomeni, da so predmeti preučevanja kinematike vrtenja hitrosti, pospeški in koti vrtenja.

Najprej predstavimo kotno hitrost. Razume se kot kot, za katerega se telo zavrti na časovno enoto. Formula za trenutno kotno hitrost je:

Če se telo vrti za enake kote v enakih časovnih intervalih, se vrtenje imenuje enakomerno. Zanj velja formula za povprečno kotno hitrost:

ω se meri v radianih na sekundo, kar v sistemu SI ustreza recipročnim sekundam (s -1).

V primeru neenakomernega vrtenja se uporablja koncept kotnega pospeška α. Določa hitrost spreminjanja vrednosti ω v času, to je:

α = dω/dt = d 2 θ/dt 2

α se meri v radianih na kvadratno sekundo (v SI - s -2).

Če se je telo sprva enakomerno vrtelo s hitrostjo ω 0, nato pa je začelo povečevati svojo hitrost s stalnim pospeškom α, potem lahko takšno gibanje opišemo z naslednjo formulo:

θ = ω 0 *t + α*t 2 /2

To enakost dobimo z integracijo enačb kotne hitrosti skozi čas. Formula za θ vam omogoča izračun števila vrtljajev, ki jih bo sistem naredil okoli osi vrtenja v času t.

Linearne in kotne hitrosti

Obe hitrosti sta med seboj povezani. Ko govorijo o hitrosti vrtenja okoli osi, lahko mislijo na linearne in kotne značilnosti.

Recimo, da se določena materialna točka vrti okoli osi na razdalji r s hitrostjo ω. Potem bo njegova linearna hitrost v enaka:

Razlika med linearno in kotno hitrostjo je pomembna. Tako pri enakomernem vrtenju ω ni odvisen od razdalje do osi, ampak vrednost v linearno narašča z naraščanjem r. Zadnje dejstvo pojasnjuje, zakaj je s povečevanjem polmera vrtenja telo težje obdržati na krožni tirnici (povečuje se njegova linearna hitrost in posledično vztrajnostne sile).

Naloga za izračun hitrosti vrtenja okoli Zemljine osi

Vsi vedo, da je naš planet v solarni sistem izvaja dve vrsti vrtilnega gibanja:

• okoli svoje osi;
• okoli zvezde.

Izračunajmo hitrosti ω in v za prvo izmed njih.

Kotne hitrosti ni težko določiti. Če želite to narediti, ne pozabite, da planet opravi polni obrat, ki je enak 2*pi radianom, v 24 urah (natančna vrednost je 23 ur 56 minut 4,1 sekunde). Potem bo vrednost ω enaka:

ω = 2*pi/(24*3600) = 7,27*10 -5 rad/s

Izračunana vrednost je majhna. Pokažimo zdaj, koliko se absolutna vrednost ω razlikuje od vrednosti v.

Izračunajmo linearno hitrost v za točke, ki ležijo na površini planeta na zemljepisni širini ekvatorja. Ker je Zemlja sploščena krogla, je ekvatorialni polmer nekoliko večji od polarnega. To je 6378 km. Z uporabo formule za povezavo dveh hitrosti dobimo:

v = ω*r = 7,27*10 -5 *6378000 ≈ 464 m/s

Nastala hitrost je 1670 km/h, kar je več od hitrosti zvoka v zraku (1235 km/h).

Vrtenje Zemlje okoli svoje osi vodi do pojava tako imenovane Coriolisove sile, ki jo je treba upoštevati pri letenju balističnimi izstrelki. Je tudi vzrok mnogih atmosferski pojavi, na primer odstopanja v smeri pasatov proti zahodu.

Zemlja je nenehno v gibanju, vrti se okoli Sonca in okoli lastne osi. To gibanje in stalen nagib Zemljine osi (23,5°) določa številne učinke, ki jih opazujemo kot običajne pojave: noč in dan (zaradi vrtenja Zemlje okoli svoje osi), menjavo letnih časov (zaradi nagib zemeljske osi) in različno podnebje na različnih območjih. Globusi so lahko vrtljivi in ​​njihova os je nagnjena kot Zemljina os (23,5°), tako da lahko s pomočjo globusa precej natančno sledite gibanju Zemlje okoli svoje osi, s pomočjo sistema Zemlja-Sonce pa lahko sledi gibanju Zemlje okoli Sonca.

Vrtenje Zemlje okoli svoje osi

Zemlja se vrti okoli lastne osi od zahoda proti vzhodu (v nasprotni smeri urinega kazalca, gledano s severnega tečaja). Zemlja potrebuje 23 ur, 56 minut in 4,09 sekunde, da opravi en polni obrat okoli lastne osi. Dan in noč sta posledica vrtenja Zemlje. Enaka je tudi kotna hitrost vrtenja Zemlje okoli svoje osi oziroma kot, za katerega se zavrti katera koli točka na Zemljinem površju. V eni uri je 15 stopinj. Vendar je linearna hitrost vrtenja kjer koli na ekvatorju približno 1669 kilometrov na uro (464 m/s), na polih pa se zmanjša na nič. Na primer, hitrost vrtenja na zemljepisni širini 30° je 1445 km/h (400 m/s).
Vrtenja Zemlje ne opazimo iz preprostega razloga, ker se vzporedno in sočasno z nami gibljejo vsi predmeti okoli nas z enako hitrostjo in "relativnih" gibanj predmetov okoli nas ni. Če se na primer ladja giblje po morju enakomerno, brez pospeševanja in zaviranja, v mirnem vremenu brez valov na površini vode, sploh ne bomo čutili, kako se taka ladja premika, če smo v kabini brez odprtino, saj se bodo vsi predmeti v kabini premikali vzporedno z nami in ladjo.

Gibanje Zemlje okoli Sonca

Medtem ko se Zemlja vrti okoli lastne osi, se vrti tudi okoli Sonca od zahoda proti vzhodu v nasprotni smeri urinega kazalca, gledano s severnega tečaja. Zemlja potrebuje eno stransko leto (približno 365,2564 dni), da opravi en polni obrat okoli Sonca. Pot Zemlje okoli Sonca imenujemo Zemljina orbita in ta orbita ni popolnoma okrogla. Povprečna razdalja od Zemlje do Sonca je približno 150 milijonov kilometrov, ta razdalja pa se spreminja do 5 milijonov kilometrov in tvori majhno ovalno orbito (elipso). Točka Zemljine orbite, ki je najbližje Soncu, se imenuje perihelij. Zemlja prečka to točko v začetku januarja. Točka Zemljine orbite, ki je najbolj oddaljena od Sonca, se imenuje Aphelion. Zemlja prečka to točko v začetku julija.
Ker se naša Zemlja giblje okoli Sonca po eliptični poti, se hitrost vzdolž orbite spreminja. Julija je hitrost minimalna (29,27 km/s) in po prehodu afela (zgornja rdeča pika na animaciji) začne pospeševati, januarja pa je hitrost največja (30,27 km/s) in po prehodu začne upočasnjevati perihelij (spodnja rdeča pika).
Medtem ko Zemlja naredi en obrat okoli Sonca, preteče razdaljo 942 milijonov kilometrov v 365 dneh, 6 urah, 9 minutah in 9,5 sekunde, to pomeni, da skupaj z Zemljo drvimo okoli Sonca s povprečno hitrostjo 30 km na sekundo (ali 107.460 km na uro), hkrati pa se Zemlja zavrti okoli lastne osi enkrat na 24 ur (365-krat na leto).
Pravzaprav, če upoštevamo gibanje Zemlje natančneje, je veliko bolj zapleteno, saj na Zemljo vplivajo različni dejavniki: vrtenje Lune okoli Zemlje, privlačnost drugih planetov in zvezd.

Naš planet je nenehno v gibanju:

• vrtenje okoli lastne osi, gibanje okoli Sonca;
• vrtenje s Soncem okoli središča naše galaksije;
• gibanje glede na središče lokalne skupine galaksij in drugo.

Gibanje Zemlje okoli lastne osi

Vrtenje Zemlje okoli svoje osi(slika 1). Zemljina os je namišljena črta, okoli katere se vrti. Ta os je odmaknjena za 23°27" od pravokotnice na ravnino ekliptike. Zemljina os seka Zemljino površje v dveh točkah - polih - severnem in južnem. Gledano s severnega tečaja se vrtenje Zemlje dogaja v nasprotni smeri urnega kazalca oz. , kot se običajno verjame, od zahoda proti vzhodu.Planet se v enem dnevu popolnoma obrne okoli svoje osi.

riž. 1. Vrtenje Zemlje okoli svoje osi

Dan je časovna enota. Obstajajo zvezdni in sončni dnevi.

Siderični dan- to je časovno obdobje, v katerem se bo Zemlja obrnila okoli svoje osi glede na zvezde. Enaki so 23 ur 56 minut 4 sekunde.

Sončen dan- to je časovno obdobje, v katerem se Zemlja obrne okoli svoje osi glede na Sonce.

Kot vrtenja našega planeta okoli svoje osi je na vseh zemljepisnih širinah enak. V eni uri se vsaka točka na Zemljinem površju premakne za 15° od svojega prvotnega položaja. Toda hkrati je hitrost gibanja v nasprotni smeri proporcionalna odvisnost na geografski širini: na ekvatorju je 464 m/s, na zemljepisni širini 65° pa le 195 m/s.

Vrtenje Zemlje okoli svoje osi leta 1851 je v svojem poskusu dokazal J. Foucault. V Parizu so v Panteonu pod kupolo obesili nihalo, pod njim pa krog z delitvami. Z vsakim naslednjim premikom je nihalo končalo na novih razdelkih. To se lahko zgodi le, če se površina Zemlje pod nihalom vrti. Položaj nihalne ravnine nihala na ekvatorju se ne spremeni, ker ravnina sovpada s poldnevnikom. Vrtenje Zemlje po osi ima pomembne geografske posledice.

Ko se Zemlja vrti, nastane centrifugalna sila, ki igra pomembno vlogo pri oblikovanju oblike planeta in zmanjšuje gravitacijsko silo.

Druga najpomembnejša posledica aksialne rotacije je nastanek rotacijske sile - Coriolisove sile. V 19. stoletju prvi jo je izračunal francoski znanstvenik s področja mehanike G. Coriolis (1792-1843). To je ena od vztrajnostnih sil, uvedenih za upoštevanje vpliva rotacije gibljivega referenčnega sistema na relativno gibanje materialne točke. Njegov učinek lahko na kratko izrazimo na naslednji način: vsako gibajoče se telo na severni polobli je odklonjeno v desno, na južni polobli pa v levo. Na ekvatorju je Coriolisova sila enaka nič (slika 3).

riž. 3. Delovanje Coriolisove sile

Delovanje Coriolisove sile se razširi na številne pojave geografskega ovoja. Njegov odklonski učinek je še posebej opazen v smeri vožnje zračne mase. Pod vplivom odklonske sile rotacije Zemlje vetrovi zmernih zemljepisnih širin obeh polobel prevzamejo pretežno zahodno smer, v tropskih zemljepisnih širinah pa vzhodno. Podobno manifestacijo Coriolisove sile najdemo v smeri gibanja oceanskih voda. S to silo je povezana tudi asimetrija rečne doline(desni breg je običajno visok na severni polobli, levi breg pa na južni polobli).

Vrtenje Zemlje okoli svoje osi vodi tudi do gibanja sončne svetlobe zemeljsko površje od vzhoda proti zahodu, torej do menjave dneva in noči.

Menjava dneva in noči ustvarja dnevni ritem bivanja in nežive narave. Cirkadiani ritem je tesno povezan s svetlobnimi in temperaturnimi razmerami. Znano je dnevno nihanje temperature, dnevni in nočni vetrič ... Cirkadiani ritmi se pojavljajo tudi v živi naravi - fotosinteza je mogoča le podnevi, večina rastlin cvetove odpre ob različnih urah; Nekatere živali so aktivne podnevi, druge ponoči. Tudi človeško življenje teče v cirkadianem ritmu.

Druga posledica vrtenja Zemlje okoli svoje osi je časovna razlika na različnih točkah našega planeta.

Od leta 1884 je bil sprejet pasovni čas, to je, da je bila celotna površina Zemlje razdeljena na 24 časovnih pasov po 15°. zadaj standardni čas sprejeti lokalni čas srednji meridian vsakega pasu. Čas v sosednjih časovnih pasovih se razlikuje za eno uro. Meje pasov so začrtane ob upoštevanju političnih, upravnih in gospodarskih meja.

Za ničelni pas velja Greenwiški pas (imenovan po observatoriju Greenwich pri Londonu), ki poteka na obeh straneh začetnega poldnevnika. Upošteva se čas začetnega poldnevnika Univerzalni čas.

Poldnevnik 180° velja za mednarodni datumska vrstica— pogojna črta na površini globus, na obeh straneh katerega ure in minute sovpadajo, in koledarski datumi razlikujejo za en dan.

Za bolj racionalno izrabo dnevne svetlobe poleti je naša država leta 1930 uvedla porodniški čas, eno uro pred časovnim pasom. Da bi to dosegli, so urine kazalce premaknili za eno uro naprej. V zvezi s tem Moskva, ki je v drugem časovnem pasu, živi po času tretjega časovnega pasu.

Od leta 1981 se od aprila do oktobra čas premika za eno uro naprej. To je tako imenovani poletni čas. Uveden je zaradi varčevanja z energijo. Poleti je Moskva dve uri pred standardnim časom.

Čas časovnega pasu, v katerem se nahaja Moskva, je Moskva.

Gibanje Zemlje okoli Sonca

Ko se Zemlja vrti okoli svoje osi, se hkrati giblje okoli Sonca in kroži okoli kroga v 365 dneh 5 urah 48 minutah 46 sekundah. To obdobje se imenuje astronomsko leto. Za udobje velja, da je v letu 365 dni in vsaka štiri leta, ko se "nabere" 24 ur od šestih ur, ni 365, ampak 366 dni v letu. Letos se imenuje prestopno leto en dan pa se doda februarju.

Pot v vesolju, po kateri se Zemlja giblje okoli Sonca, se imenuje orbita(slika 4). Zemljina orbita je eliptična, zato razdalja od Zemlje do Sonca ni konstantna. Ko je Zemlja v perihelij(iz grščine peri- blizu, blizu in helios- Sonce) - točka orbite, ki je najbližja Soncu - 3. januarja je razdalja 147 milijonov km. Na severni polobli je v tem času zima. Največja oddaljenost od Sonca v afelij(iz grščine aro- stran od in helios- Sonce) - največja oddaljenost od Sonca - 5. julij. To je enako 152 milijonov km. V tem času je na severni polobli poletje.

riž. 4. Gibanje Zemlje okoli Sonca

Letno gibanje Zemlje okoli Sonca opazujemo po nenehnem spreminjanju položaja Sonca na nebu - spreminjajo se opoldanska višina Sonca in položaj njegovega vzhoda in zahoda, trajanje svetlih in temnih delov dan se spremeni.

Pri gibanju po orbiti se smer zemeljske osi ne spreminja, vedno je usmerjena proti zvezdi Severnici.

Zaradi sprememb razdalje od Zemlje do Sonca, pa tudi zaradi naklona Zemljine osi glede na ravnino njenega gibanja okoli Sonca, je na Zemlji opazna neenakomerna porazdelitev sončnega sevanja skozi vse leto. Tako pride do menjave letnih časov, ki je značilna za vse planete, katerih os vrtenja je nagnjena na ravnino orbite. (ekliptika) drugačen od 90°. Orbitalna hitrost planeta na severni polobli je večja v zimski čas in manj poleti. Zato zimsko polletje traja 179 dni, poletno polletje pa 186 dni.

Zaradi gibanja Zemlje okoli Sonca in nagiba Zemljine osi glede na ravnino njene orbite za 66,5° se na našem planetu poleg menjave letnih časov spreminja tudi dolžina dneva in noči.

Vrtenje Zemlje okoli Sonca in menjava letnih časov na Zemlji sta prikazana na sl. 81 (enakonočja in solsticiji v skladu z letnimi časi na severni polobli).

Samo dvakrat na leto - na dneve enakonočja sta dolžina dneva in noči po vsej Zemlji skoraj enaka.

Enakonočje- trenutek, ko središče Sonca med svojim navideznim letnim gibanjem vzdolž ekliptike prečka nebesni ekvator. Obstajata spomladansko in jesensko enakonočje.

Nagib rotacijske osi Zemlje okoli Sonca na dneve enakonočja 20. in 21. marca ter 22. in 23. septembra se izkaže za nevtralen glede na Sonce, deli planeta, ki so obrnjeni proti njemu, pa so enakomerno osvetljeni od pola do drog (slika 5). Sončni žarki padajo navpično na ekvator.

Na dan sta najdaljši dan in najkrajša noč poletni solsticij.

riž. 5. Osvetlitev Zemlje s Soncem v dneh enakonočja

Solsticij- trenutek, ko središče Sonca prečka točke ekliptike, ki so najbolj oddaljene od ekvatorja (solsticijske točke). Obstajata poletni in zimski solsticij.

Na dan poletnega solsticija, od 21. do 22. junija, zavzame Zemlja položaj, v katerem je severni konec njene osi nagnjen proti Soncu. In žarki ne padajo navpično na ekvator, ampak na severni trop, katerega zemljepisna širina je 23 ° 27". Ne samo polarna območja so osvetljena 24 ur na dan, ampak tudi prostor za njimi do zemljepisne širine 66 °. 33" (Arktični krog). Na južni polobli je v tem času osvetljen le tisti njen del, ki leži med ekvatorjem in južnim polarnim krogom (66°33"), zunaj njega zemeljsko površje ta dan ni osvetljeno.

Čez en dan Zimski solsticij 21. in 22. decembra se vse zgodi obratno (slika 6). Sončni žarki že padajo navpično na južne trope. Območja, ki so osvetljena na južni polobli, niso le med ekvatorjem in tropom, ampak tudi okoli južnega tečaja. To stanje se nadaljuje do spomladanskega enakonočja.

riž. 6. Osvetlitev Zemlje na zimski solsticij

Na dveh vzporednikih Zemlje na dan solsticija je Sonce opoldne neposredno nad opazovalčevo glavo, torej v zenitu. Takšne vzporednice se imenujejo tropih. V severnem tropiku (23° S) je Sonce v zenitu 22. junija, v južnem tropiku (23° S) - 22. decembra.

Na ekvatorju je dan vedno enak noči. Vpadni kot sončnih žarkov na zemeljsko površino in dolžina dneva se tam malo spreminjata, zato menjava letnih časov ni izrazita.

Arktični krogi izjemne, ker so meje območij, kjer so polarni dnevi in ​​noči.

Polarni dan- obdobje, ko Sonce ne pade pod obzorje. Dlje kot je pol od arktičnega kroga, daljši je polarni dan. Na zemljepisni širini arktičnega kroga (66,5 °) traja le en dan, na polu pa 189 dni. Na severni polobli, na zemljepisni širini arktičnega kroga, se polarni dan opazuje 22. junija, na dan poletnega solsticija, na južni polobli, na zemljepisni širini južnega polarnega kroga, pa 22. decembra.

polarna noč traja od enega dneva na zemljepisni širini polarnega kroga do 176 dni na polih. Med polarno nočjo se Sonce ne pokaže nad obzorjem. Na severni polobli na zemljepisni širini polarnega kroga je ta pojav opazen 22. decembra.

Tega je nemogoče ne opaziti čudežni pojav narava, kot bele noči. Bele noči- to so svetle noči na začetku poletja, ko se večerna zarja združi z jutrom in somrak traja vso noč. Opazujemo jih na obeh poloblah na zemljepisnih širinah nad 60°, ko središče Sonca ob polnoči ne pade pod obzorje za največ 7°. V Sankt Peterburgu (približno 60° S) bele noči trajajo od 11. junija do 2. julija, v Arhangelsku (64° S) - od 13. maja do 30. julija.

Sezonski ritem v povezavi z letnim gibanjem vpliva predvsem na osvetljenost zemeljske površine. Glede na spremembo višine Sonca nad obzorjem na Zemlji jih je pet svetlobne cone. Vroč pas leži med severnim in južnim tropom (trop raka in trop kozoroga), zavzema 40 % zemeljske površine in se razlikuje največje število toplota, ki prihaja od sonca. Med tropiki in Arktični krogi na južni in severni polobli so zmernih pasovih osvetlitev Letni časi so že tukaj izraženi: dlje ko je od tropov, krajše in hladnejše je poletje, daljše in hladnejša zima. Polarna območja na severni in južni polobli omejujejo arktični krogi. Tu je višina Sonca nad obzorjem skozi vse leto nizka, zato je količina sončne toplote minimalna. Za polarna območja so značilni polarni dnevi in ​​noči.

Od letnega gibanja Zemlje okoli Sonca ni odvisna samo menjava letnih časov in s tem povezana neenakomernost osvetlitve zemeljske površine po zemljepisnih širinah, temveč tudi pomemben del procesov v geografski ovoj: sezonske spremembe vremena, režim rek in jezer, življenjski ritem rastlin in živali, vrste in čas kmetijskih del.

Koledar.Koledar- sistem za izračun dolgih časovnih obdobij. Ta sistem temelji na periodičnih naravnih pojavih, povezanih z gibanjem nebesnih teles. Koledar uporablja astronomske pojave – menjavo letnih časov, dan in noč, menjava lunine faze. Prvi koledar je bil egipčanski, nastal je v 4. stoletju. pr. n. št e. 1. januarja 45 je Julij Cezar uvedel julijanski koledar, ki ga še vedno uporabljajo Rusi. pravoslavna cerkev. Glede na to, da je dolžina julijanskega leta za 11 minut 14 sekund daljša od astronomskega, je do 16. st. nabrala se je "napaka" 10 dni - dan pomladnega enakonočja se ni zgodil 21. marca, ampak 11. marca. To napako je leta 1582 popravil papež Gregor XIII. Štetje dni so premaknili za 10 dni naprej, dan po 4. oktobru pa je bilo predpisano, da se šteje za petek, vendar ne 5. oktober, ampak 15. oktober. Spomladansko enakonočje so ponovno vrnili na 21. marec in koledar so začeli imenovati gregorijanski. V Rusiji so ga uvedli leta 1918. Vendar pa ima tudi številne pomanjkljivosti: neenako dolžino mesecev (28, 29, 30, 31 dni), neenakost četrtin (90, 91, 92 dni), nedoslednost števila meseci po dnevih v tednu.

V = (Re R p R p 2 + R e 2 t g 2 φ + R p 2 h R p 4 + Re 4 t g 2 φ) ω (\displaystyle v=\left((\frac (R_(e)) \,R_(p))(\sqrt ((R_(p))^(2)+(R_(e))^(2)\,(\mathrm (tg) ^(2)\varphi )))) +(\frac ((R_(p))^(2)h)(\sqrt ((R_(p))^(4)+(R_(e))^(4)\,\mathrm (tg) ^ (2)\varphi )))\desno)\omega ), Kje R e (\displaystyle R_(e))= 6378,1 km - ekvatorialni polmer, R p (\displaystyle R_(p))= 6356,8 km - polarni radij.

• Letalo, ki leti s to hitrostjo od vzhoda proti zahodu (na višini 12 km: 936 km/h na širini Moskve, 837 km/h na širini Sankt Peterburga), bo v inercialnem referenčnem sistemu mirovalo.
• Superpozicija vrtenja Zemlje okoli svoje osi s periodo enega zvezdnega dneva in okoli Sonca s periodo enega leta vodi do neenakosti sončnih in zvezdnih dni: povprečna dolžina sončnega dneva je točno 24 ur, kar je 3 minute 56 sekund daljše od zvezdastega dneva.

Fizični pomen in eksperimentalna potrditev

Fizični pomen vrtenja Zemlje okoli svoje osi

Ker je vsako gibanje relativno, je treba navesti določen referenčni sistem, glede na katerega se preučuje gibanje določenega telesa. Ko pravijo, da se Zemlja vrti okoli namišljene osi, je mišljeno, da izvaja rotacijsko gibanje glede na kateri koli inercialni referenčni okvir, obdobje te rotacije pa je enako stranskemu dnevu - obdobju popolne revolucije Zemlje ( nebesna sfera) glede na nebesno sfero (Zemljo).

Vsi eksperimentalni dokazi o vrtenju Zemlje okoli svoje osi se spuščajo v dokaz, da je referenčni sistem, povezan z Zemljo, neinercialni referenčni sistem posebne vrste - referenčni sistem, ki izvaja rotacijsko gibanje glede na inercialne referenčne sisteme.

Za razliko od vztrajnostnega gibanja (tj. enakomernega premočrtnega gibanja glede na vztrajnostne referenčne sisteme) za odkrivanje neinercialnega gibanja zaprtega laboratorija ni treba opazovati zunanjih teles - takšno gibanje se zazna z lokalnimi poskusi (tj. poskusi, izvedeni v tem laboratoriju). V tem pomenu besede lahko neinercialno gibanje, vključno z vrtenjem Zemlje okoli svoje osi, imenujemo absolutno.

Vztrajnostne sile

Učinki centrifugalne sile

Odvisnost pospeška prostega pada od geografske širine. Poskusi kažejo, da je pospešek prostega pada odvisen od geografske širine: bližje kot je tečaj, večji je. To je razloženo z delovanjem centrifugalne sile. Prvič, točke na zemeljskem površju, ki se nahajajo na višjih zemljepisnih širinah, so bližje osi vrtenja, zato se pri približevanju polu razdalja r (\displaystyle r) pada od osi vrtenja in doseže nič na polu. Drugič, z naraščajočo širino se kot med vektorjem centrifugalne sile in ravnino obzorja zmanjšuje, kar vodi do zmanjšanja navpične komponente centrifugalne sile.

Ta pojav so odkrili leta 1672, ko je francoski astronom Jean Richet med ekspedicijo v Afriki ugotovil, da nihalna ura na ekvatorju teče počasneje kot v Parizu. Newton je to kmalu pojasnil z besedami, da je nihajna doba nihala obratno sorazmerna s kvadratnim korenom gravitacijskega pospeška, ki se na ekvatorju zmanjša zaradi delovanja centrifugalne sile.

Oblatenost Zemlje. Vpliv centrifugalne sile vodi do sploščenosti Zemlje na polih. Ta pojav, ki sta ga napovedala Huygens in Newton ob koncu 17. stoletja, je prvi odkril Pierre de Maupertuis v poznih 1730-ih kot rezultat obdelave podatkov dveh francoskih odprav, posebej opremljenih za reševanje tega problema v Peruju (pod vodstvom Pierra Bouguerja in Charles de la Condamine ) in Laponska (pod vodstvom Alexisa Clairauta in samega Maupertuisa).

Učinki Coriolisove sile: laboratorijski poskusi

Ta učinek naj bi bil najjasneje izražen na polih, kjer je doba popolne rotacije ravnine nihala enaka rotacijski dobi Zemlje okoli svoje osi (zvezdni dan). Na splošno je obdobje obratno sorazmerno s sinusom geografske širine, na ekvatorju je ravnina nihanja nespremenjena.

Žiroskop- rotacijsko telo s pomembnim vztrajnostnim momentom obdrži vrtilno količino, če ni močnejših motenj. Foucault, ki je bil utrujen od razlage, kaj se zgodi s Foucaultovim nihalom, ki ni na polu, je razvil še eno demonstracijo: viseči žiroskop je ohranil svojo orientacijo, kar pomeni, da se je počasi obračal glede na opazovalca.

Odklon izstrelkov med streljanjem. Druga opazna manifestacija Coriolisove sile je odklon trajektorij projektilov (na desno na severni polobli, na levo na južni polobli), izstreljenih v vodoravni smeri. Z vidika inercialnega referenčnega sistema je za izstrelke, izstreljene vzdolž poldnevnika, to posledica odvisnosti linearne hitrosti vrtenja Zemlje od geografske širine: ko se premika od ekvatorja do pola, izstrelek zadrži vodoravna komponenta hitrosti ostane nespremenjena, medtem ko se linearna hitrost vrtenja točk na zemeljskem površju zmanjša, kar povzroči odmik izstrelka od poldnevnika v smeri vrtenja Zemlje. Če je bil strel izstreljen vzporedno z ekvatorjem, je odmik izstrelka od vzporednika posledica dejstva, da trajektorija izstrelka leži v isti ravnini s središčem Zemlje, medtem ko se točke na zemeljski površini gibljejo vzporedno. ravnina, ki je pravokotna na os vrtenja Zemlje. Ta učinek (za primer streljanja po meridianu) je predvidel Grimaldi v 40. letih 17. stoletja. in prvič objavil Riccioli leta 1651.

Odklon prosto padajočih teles od navpičnice. ( ) Če ima hitrost gibanja telesa veliko navpično komponento, je Coriolisova sila usmerjena proti vzhodu, kar vodi do ustreznega odstopanja tirnice prosto padajočega telesa (brez začetna hitrost) z visokega stolpa. Če ga obravnavamo v inercialnem referenčnem okviru, je učinek razložen z dejstvom, da se vrh stolpa glede na središče Zemlje premika hitreje kot osnova, zaradi česar se tirnica telesa izkaže za ozko parabolo in telo je nekoliko pred vznožjem stolpa.

Eötvösov učinek. Na nizkih zemljepisnih širinah je Coriolisova sila pri gibanju vzdolž zemeljske površine usmerjena v navpični smeri in njeno delovanje povzroči povečanje ali zmanjšanje gravitacijskega pospeška, odvisno od tega, ali se telo premika proti zahodu ali vzhodu. Ta učinek se imenuje Eötvösov učinek v čast madžarskega fizika Loránda Eötvösa, ki ga je eksperimentalno odkril v začetku 20. stoletja.

Poskusi z uporabo zakona o ohranitvi kotne količine. Nekateri poskusi temeljijo na zakonu o ohranitvi vrtilne količine: v vztrajnostnem referenčnem sistemu se velikost kotne količine (enaka produktu vztrajnostnega momenta in kotne hitrosti vrtenja) ne spremeni pod vplivom notranjih sil. . Če je naprava v nekem začetnem trenutku mirujoča glede na Zemljo, potem je hitrost njenega vrtenja glede na inercialni referenčni sistem enaka kotni hitrosti vrtenja Zemlje. Če spremenite vztrajnostni moment sistema, se mora spremeniti kotna hitrost njegovega vrtenja, kar pomeni, da se bo začelo vrtenje glede na Zemljo. V neinercialnem referenčnem sistemu, povezanem z Zemljo, pride do rotacije kot posledica Coriolisove sile. To idejo je leta 1851 predlagal francoski znanstvenik Louis Poinsot.

Prvi tak poskus je izvedel Hagen leta 1910: dve uteži na gladki prečki sta bili nameščeni nepremično glede na površino Zemlje. Nato se je razdalja med bremeni zmanjšala. Posledično se je instalacija začela vrteti. Še bolj nazoren poskus je izvedel nemški znanstvenik Hans Bucka leta 1949. Palica, dolga približno 1,5 metra, je bila nameščena pravokotno na pravokoten okvir. Sprva je bila palica vodoravna, instalacija je bila glede na Zemljo nepremična. Nato je bila palica postavljena v navpični položaj, kar je povzročilo spremembo vztrajnostnega momenta naprave za približno 10 4-krat in njeno hitro vrtenje s kotno hitrostjo, 10 4-krat večjo od hitrosti vrtenja Zemlje.

Lijak v kopeli.

Ker je Coriolisova sila zelo šibka, ima zanemarljiv vpliv na smer vrtinčenja vode pri izsuševanju umivalnika ali kopalne kadi, zato na splošno smer vrtenja v lijaku ni povezana z vrtenjem Zemlje. Samo v skrbno nadzorovanih poskusih je mogoče ločiti učinek Coriolisove sile od drugih dejavnikov: na severni polobli se bo lijak vrtel v nasprotni smeri urinega kazalca, na južni polobli - obratno.

Učinki Coriolisove sile: pojavi v okoliški naravi

Optični poskusi

Številni poskusi, ki dokazujejo vrtenje Zemlje, temeljijo na Sagnacovem učinku: če obročni interferometer izvede rotacijsko gibanje, se zaradi relativističnih učinkov pojavi fazna razlika v nasprotno širjejočih se žarkih.

Δ φ = 8 π A λ c ω , (\displaystyle \Delta \varphi =(\frac (8\pi A)(\lambda c))\omega ,)

Kje A (\displaystyle A)- območje projekcije obroča na ekvatorialno ravnino (ravnina, pravokotna na os vrtenja), c (\displaystyle c)- hitrost svetlobe, ω (\displaystyle \omega )- kotna hitrost vrtenja. Za prikaz rotacije Zemlje je ta učinek uporabil ameriški fizik Michelson v seriji poskusov, izvedenih v letih 1923-1925. Pri sodobnih poskusih z uporabo Sagnacovega učinka je treba za kalibracijo obročnih interferometrov upoštevati rotacijo Zemlje.

Obstajajo številne druge eksperimentalne predstavitve dnevno kroženje Zemlja.

Neenakomerno vrtenje

Precesija in nutacija

Zgodovina ideje o dnevnem vrtenju Zemlje

Antika

Razlago dnevnega vrtenja neba z vrtenjem Zemlje okoli svoje osi sta prva predlagala predstavnika pitagorejske šole, Sirakužana Hicet in Ecphantus. Vrtenje Zemlje naj bi po nekaterih rekonstrukcijah potrdil tudi pitagorejec Filolaj iz Krotona (5. stoletje pr. n. št.). Izjava, ki jo je mogoče razlagati kot navedbo rotacije Zemlje, je vsebovana v Platonovem dialogu Timej .

Vendar pa se o Hiceti in Ecphantesu ne ve tako rekoč nič, včasih se postavlja pod vprašaj celo sam njun obstoj. Po mnenju večine znanstvenikov Zemlja v Filolajevem svetovnem sistemu ni izvajala rotacijskega, temveč translatorno gibanje okoli Centralnega ognja. V svojih drugih delih Platon sledi tradicionalnemu mnenju, da je Zemlja nepremična. Do nas pa so prišli številni dokazi, da je idejo o vrtenju Zemlje zagovarjal filozof Heraklid iz Ponta (IV. stoletje pr. n. št.). Verjetno je še ena Heraklidova predpostavka povezana s hipotezo o vrtenju Zemlje okoli svoje osi: vsaka zvezda predstavlja svet, vključno z zemljo, zrakom, etrom, in vse to se nahaja v neskončnem prostoru. Dejansko, če je dnevna rotacija neba odraz rotacije Zemlje, potem izgine predpogoj, da bi šteli, da so zvezde na isti krogli.

Približno stoletje pozneje je predpostavka o rotaciji Zemlje postala del prve, ki jo je predlagal veliki astronom Aristarh s Samosa (3. stoletje pr. n. št.). Aristarha je podpiral babilonski Selevk (2. stoletje pr. n. št.), pa tudi Heraklid iz Ponta, ki je menil, da je vesolje neskončno. Dejstvo, da je ideja o dnevnem vrtenju Zemlje imela svoje zagovornike že v 1. stoletju našega štetja. e., kar dokazujejo nekatere izjave filozofov Seneke, Dercilida in astronoma Klavdija Ptolemaja. Velika večina astronomov in filozofov pa ni dvomila o negibnosti Zemlje.

Argumente proti ideji o gibanju Zemlje najdemo v delih Aristotela in Ptolomeja. Torej, v svoji razpravi O nebesih Aristotel upravičuje negibnost Zemlje z dejstvom, da na vrteči se Zemlji telesa, vržena navpično navzgor, ne morejo pasti na točko, od koder se je začelo njihovo gibanje: površina Zemlje bi se premaknila pod vrženim telesom. Drugi argument v prid negibnosti Zemlje, ki ga navaja Aristotel, temelji na njegovi fizikalni teoriji: Zemlja je težko telo in težka telesa se gibljejo proti središču sveta in ne vrtijo okoli njega.

Iz dela Ptolemaja izhaja, da so zagovorniki hipoteze o vrtenju Zemlje na te argumente odgovorili, da se zrak in vsi zemeljski predmeti gibljejo skupaj z Zemljo. Očitno je vloga zraka v tem argumentu bistveno pomembna, saj je implicirano, da njegovo gibanje skupaj z Zemljo skriva vrtenje našega planeta. Ptolomej temu ugovarja:

telesa v zraku vedno zaostajajo ... In če bi se telesa vrtela z zrakom kot ena celota, potem nobeno od njih ne bi bilo videti pred ali za drugim, ampak bi ostalo na mestu, v letu in metanju ne bi delal odstopanj ali premikov na drugo mesto, kot so tisti, ki jih osebno vidimo, in se sploh ne bi upočasnili ali pospešili, ker Zemlja ni negibna.

Srednja leta

Indija

Prvi srednjeveški avtor, ki je predlagal, da se Zemlja vrti okoli svoje osi, je bil veliki indijski astronom in matematik Aryabhata (konec 5. - začetek 6. stoletja). V svoji razpravi jo formulira na več mestih Aryabhatiya, Na primer:

Tako kot človek na ladji, ki se giblje naprej, vidi nepremične predmete, ki se premikajo nazaj, tako opazovalec... vidi zvezde nepremične, ki se premikajo v ravni črti proti zahodu.

Ni znano, ali ta ideja pripada samemu Aryabhati ali si jo je izposodil od starogrških astronomov.

Aryabhata je podpiral samo en astronom, Prthudaka (9. stoletje). Večina indijskih znanstvenikov je branila negibnost Zemlje. Tako je astronom Varahamihira (6. stoletje) trdil, da se na vrteči se Zemlji ptice, ki letijo po zraku, ne morejo vrniti v svoja gnezda, kamni in drevesa pa bi odleteli s površja Zemlje. Tudi izjemen astronom Brahmagupta (VI. stol.) je ponovil staro trditev, da telo, ki pada iz visoka gora, vendar bi se lahko potopil v svoje dno. Hkrati pa je zavrnil enega od Varahamihirovih argumentov: po njegovem mnenju, tudi če bi se Zemlja vrtela, predmeti zaradi gravitacije ne bi mogli odleteti z nje.

islamski vzhod

O možnosti vrtenja Zemlje so razmišljali številni znanstveniki muslimanskega vzhoda. Tako je slavni geometer al-Sijizi izumil astrolab, katerega princip delovanja temelji na tej predpostavki. Nekateri islamski učenjaki (katerih imena niso dosegla nas) so celo našli pravilen način za zavrnitev glavnega argumenta proti vrtenju Zemlje: navpičnost poti padajočih teles. V bistvu je bilo predstavljeno načelo superpozicije gibanj, po katerem je mogoče vsako gibanje razstaviti na dve ali več komponent: glede na površino vrteče se Zemlje se padajoče telo giblje vzdolž navpičnica, vendar bi se točka, ki je projekcija te premice na površje Zemlje, prenesla z njenim vrtenjem. To dokazuje slavni enciklopedist al-Biruni, ki pa je bil sam nagnjen k nepremičnosti Zemlje. Po njegovem mnenju, če na padajoče telo deluje neka dodatna sila, potem bo rezultat njenega delovanja na vrtečo se Zemljo povzročil nekatere učinke, ki jih dejansko ne opazimo.

Med znanstveniki 13.–16. stoletja, povezanimi z observatoriji Maragha in Samarkand, se je pojavila razprava o možnosti empirične utemeljitve negibnosti Zemlje. Tako je slavni astronom Qutb ad-Din ash-Shirazi (XIII-XIV. stoletje) verjel, da je negibnost Zemlje mogoče preveriti s poskusom. Po drugi strani pa je ustanovitelj observatorija Maragha Nasir ad-Din al-Tusi verjel, da če bi se Zemlja vrtela, bi to vrtenje delila plast zraka, ki meji na njeno površino, in vsa gibanja blizu površine Zemlje. Zemlja bi se zgodila popolnoma enako, kot če bi bila Zemlja negibna. To je utemeljil s pomočjo opazovanj kometov: po Aristotelu so kometi meteorološki pojav v zgornjih plasteh ozračja; vendar astronomska opazovanja kažejo, da kometi sodelujejo pri dnevnem vrtenju nebesne krogle. Posledično zgornje plasti zraka odnaša vrtenje neba, torej lahko tudi spodnje plasti odnaša vrtenje Zemlje. Tako poskus ne more odgovoriti na vprašanje, ali se Zemlja vrti. Vendar je ostal zagovornik negibnosti Zemlje, saj je bilo to v skladu z Aristotelovo filozofijo.

Večina kasnejših islamskih učenjakov (al-Urdi, al-Qazwini, an-Naysaburi, al-Jurjani, al-Birjandi in drugi) se je strinjala z al-Tusijem, da bi se vsi fizični pojavi na vrteči se in mirujoči Zemlji zgodili na enak način. . Vendar se vloga zraka ni več štela za temeljno: vrteča se Zemlja ne prenaša le zraka, temveč tudi vse predmete. Posledično je za utemeljitev negibnosti Zemlje potrebno vključiti Aristotelove nauke.

Posebno stališče v teh sporih je zavzel tretji direktor Samarkandskega observatorija Alauddin Ali al-Kushchi (XV. stoletje), ki je zavračal Aristotelovo filozofijo in menil, da je vrtenje Zemlje fizično možno. V 17. stoletju je do podobnega sklepa prišel iranski teolog in enciklopedist Baha ad-Din al-Amili. Po njegovem mnenju astronomi in filozofi niso predložili dovolj dokazov, ki bi ovrgli vrtenje Zemlje.

latinski zahod

Podrobno razpravo o možnostih gibanja Zemlje najdemo v spisih pariških sholastikov Jeana-Buridana, Alberta Saškega in Nikolaja Oresmskega (druga polovica 14. stoletja). Najpomembnejši argument v prid rotacije Zemlje in ne neba, ki ga navajajo v svojih delih, je majhnost Zemlje v primerjavi z Vesoljem, zaradi česar dnevno rotacijo neba pripisujemo Vesolju v najvišja stopnja nenaravno.

Vendar so vsi ti znanstveniki na koncu zavrnili rotacijo Zemlje, čeprav na različnih podlagah. Tako je Albert Saški menil, da ta hipoteza ni sposobna razložiti opazovanih astronomskih pojavov. S tem se upravičeno nista strinjala Buridan in Oresme, po katerem naj bi se nebesni pojavi dogajali na enak način ne glede na to, ali vrtenje izvaja Zemlja ali Kozmos. Buridan je lahko našel le en pomemben argument proti vrtenju Zemlje: puščice, izstreljene navpično navzgor, padajo navzdol po navpičnici, čeprav bi morale z vrtenjem Zemlje po njegovem mnenju zaostajati za gibanjem Zemlje in padati proti zahodu. točke strela.

Toda tudi ta argument je Oresme zavrnil. Če se Zemlja vrti, potem puščica leti navpično navzgor in se hkrati premika proti vzhodu, pri čemer jo ujame zrak, ki se vrti z Zemljo. Tako bi morala puščica pasti na isto mesto, od koder je bila izstreljena. Čeprav je tukaj ponovno omenjena očarljiva vloga zraka, ta v resnici nima posebne vloge. O tem govori naslednja analogija:

Podobno, če bi bil zrak zaprt v premikajoči se ladji, bi se človeku, ki je obkrožen s tem zrakom, zdelo, da se zrak ne premika ... Če bi bil človek na ladji, ki se premika z veliko hitrostjo proti vzhodu, ne da bi se tega zavedal gibanje, in če bi roko iztegnil v ravni črti vzdolž jambora ladje, bi se mu zdelo, da njegova roka dela pravokotno gibanje; na enak način se nam po tej teoriji zdi, da se isto zgodi s puščico, ko jo izstrelimo navpično navzgor ali navpično navzdol. Znotraj ladje, ki se giblje z veliko hitrostjo proti vzhodu, se lahko dogajajo različna gibanja: vzdolžno, prečno, navzdol, navzgor, v vse smeri – in se zdijo povsem enaka kot takrat, ko ladja miruje.

Nato Oresme poda formulacijo, ki predvideva načelo relativnosti:

Zato sklepam, da je nemogoče dokazati z nobenim poskusom, da se nebesa gibljejo dnevno, zemlja pa ne.

Vendar pa je bila Oresmejeva končna sodba o možnosti rotacije Zemlje negativna. Osnova za ta sklep je bilo besedilo Svetega pisma:

Vendar zaenkrat vsi podpirajo in verjamem, da se [Nebesa] in ne Zemlja premikajo, kajti »Bog je naredil krog Zemlje, ki se ne bo premaknil«, kljub vsem argumentom o nasprotnem.

Možnost dnevnega vrtenja Zemlje so omenjali tudi srednjeveški evropski znanstveniki in kasnejši filozofi, vendar niso dodajali novih argumentov, ki jih Buridan in Oresme ne vsebujeta.

Tako skoraj nihče od srednjeveških znanstvenikov ni sprejel hipoteze o vrtenju Zemlje. Toda med njeno razpravo so znanstveniki vzhoda in zahoda izrazili veliko globokih misli, ki so jih kasneje ponovili znanstveniki novega veka.

Renesansa in moderni čas

V prvi polovici 16. stoletja je bilo objavljenih več del, ki so trdila, da je vzrok dnevnega vrtenja neba vrtenje Zemlje okoli svoje osi. Ena izmed njih je bila razprava Italijana Celia Calcagninija »O dejstvu, da je nebo nepremično in se Zemlja vrti, ali o večnem gibanju Zemlje« (napisano okoli leta 1525, objavljeno leta 1544). Na svoje sodobnike ni naredil velikega vtisa, saj je takrat že izšlo temeljno delo poljskega astronoma Nikolaja Kopernika »O rotacijah nebesnih sfer« (1543), kjer je postavljena hipoteza o dnevnem vrtenju Zemlja je postala del heliocentričnega sistema sveta, tako kot Aristarh s Samosa. Kopernik je svoje misli pred tem orisal v majhnem ročno napisanem eseju Majhen komentar(ne prej kot 1515). Dve leti pred glavnim Kopernikovim delom je izšlo delo nemškega astronoma Georga Joachima Rheticusa. Prva pripoved(1541), kjer je bila Kopernikova teorija poljudno razložena.

V 16. stoletju so Kopernika v celoti podpirali astronomi Thomas Digges, Rheticus, Christoph Rothmann, Michael Möstlin, fiziki Giambatista Benedetti, Simon Stevin, filozof Giordano Bruno in teolog Diego de Zuniga. Nekateri znanstveniki so sprejeli vrtenje Zemlje okoli svoje osi in zavrnili njeno translacijsko gibanje. To je bilo stališče nemškega astronoma Nicholasa Reimersa, znanega tudi kot Ursus, pa tudi italijanskih filozofov Andrea Cesalpino in Francesco Patrizi. Stališče izjemnega fizika Williama Gilberta, ki je podpiral aksialno vrtenje Zemlje, a se o tem ni izrekel, ni povsem jasno. gibanje naprej. V začetku 17. stol heliocentrični sistem Svet (vključno z vrtenjem Zemlje okoli svoje osi) je dobil izjemno podporo Galilea Galileija in Johannesa Keplerja. Najvplivnejša nasprotnika ideje o gibanju Zemlje v 16. in zgodnjem 17. stoletju sta bila astronoma Tycho Brahe in Christopher Clavius.

Hipoteza o vrtenju Zemlje in nastanek klasične mehanike

V bistvu v XVI-XVII stoletju. edini argument v prid aksialne rotacije Zemlje je bil, da v tem primeru zvezdni sferi ni treba pripisovati ogromnih vrtilnih hitrosti, ker je bilo že v antiki zanesljivo ugotovljeno, da velikost vesolja bistveno presega velikost Zemlje (ta argument je bil tudi pri Buridanu in Oresmeju).

Proti tej hipotezi so bili izraženi premisleki, ki temeljijo na dinamičnih konceptih tistega časa. Najprej je to navpičnost poti padajočih teles. Pojavili so se tudi drugi argumenti, na primer enak strelni doseg v vzhodni in zahodni smeri. Na vprašanje o neopazljivosti učinkov dnevne rotacije v zemeljskih poskusih je Kopernik zapisal:

Ne samo, da se vrti Zemlja, z njo povezan vodni element, temu sledi tudi precejšen del zraka in vsega, kar je Zemlji kakorkoli sorodno, oziroma zemlji najbližji zrak, nasičen z zemeljsko in vodno snovjo. enake naravne zakone kot Zemlja ali pa je pridobil gibanje, ki ji ga posreduje sosednja Zemlja v stalnem vrtenju in brez kakršnega koli upora

torej glavna vloga Pri neopazljivosti Zemljine rotacije igra vlogo vnos zraka z njegovim vrtenjem. Enakega mnenja je bila večina kopernikov v 16. stoletju.

Zagovorniki neskončnosti Vesolja v 16. stoletju so bili tudi Thomas Digges, Giordano Bruno, Francesco Patrizi – vsi so zagovarjali hipotezo, da se Zemlja vrti okoli svoje osi (prva dva pa tudi okoli Sonca). Christoph Rothmann in Galileo Galilei sta verjela, da se zvezde nahajajo na različnih razdaljah od Zemlje, čeprav nista izrecno govorila o neskončnosti vesolja. Po drugi strani pa je Johannes Kepler zanikal neskončnost vesolja, čeprav je bil zagovornik rotacije Zemlje.

Verski kontekst za razpravo o rotaciji Zemlje

Številni ugovori glede rotacije Zemlje so bili povezani z njegovimi nasprotji z besedilom Sveto pismo. Ti ugovori so bili dveh vrst. Prvič, citirana so bila nekatera mesta v Svetem pismu, ki potrjujejo, da je Sonce tisto, ki dnevno giblje, na primer:

Sonce vzhaja in sonce zahaja ter hiti na svoje mesto, kjer vzhaja.

V tem primeru je bilo prizadeto osno vrtenje Zemlje, saj je gibanje Sonca od vzhoda proti zahodu del dnevne rotacije neba. V zvezi s tem je bil pogosto citiran odlomek iz Jozuetove knjige:

Jezus je vpil h Gospodu na dan, ko je Gospod izročil Amorejce v Izraelove roke, ko jih je premagal v Gibeonu in so bili potolčeni pred Izraelovimi sinovi, in rekel pred Izraelci: Stopi, sonce, nad Gibeon , in luna, nad dolino Avalon. !

Ker je ukaz za ustavitev dobil Sonce in ne Zemlja, so sklepali, da dnevno gibanje izvaja Sonce. Drugi odlomki so bili navedeni v podporo nepremičnosti Zemlje, na primer:

Zemljo si postavil na trdne temelje: ne bo se omajla na veke vekov.

Za te odlomke je veljalo, da so v nasprotju s stališčem, da se Zemlja vrti okoli svoje osi, in revolucijo okoli Sonca.

Zagovorniki rotacije Zemlje (zlasti Giordano-Bruno, Johannes-Kepler in še posebej Galileo-Galilei) so zagovarjali na več frontah. Najprej so poudarili, da je Sveto pismo napisano v razumljivem jeziku navadni ljudje, in če bi njeni avtorji dali jasne formulacije z znanstvenega vidika, ne bi mogla izpolniti svojega glavnega, verskega poslanstva. Tako je Bruno zapisal:

V mnogih primerih je nespametno in nepriporočljivo sklepati v skladu z resnico, namesto glede na dani primer in priročnost. Na primer, če je modrec namesto besed: »Sonce se rodi in vzhaja, gre čez poldne in se nagne proti Akvilonu« rekel: »Zemlja gre v krogu proti vzhodu in zapusti sonce, ki zaide, se nagne proti dvema tropoma, od Raka do Juga, od Kozoroga do Akvilona,« potem bi poslušalci začeli razmišljati: »Kako? Ali pravi, da se zemlja premika? Kakšna novica je to? Na koncu bi ga imeli za bedaka in res bi bil bedak.

Takšen odgovor je bil dan predvsem na ugovore glede dnevnega gibanja Sonca. Drugič, opozorjeno je bilo, da je treba nekatere odlomke Svetega pisma razlagati alegorično (glej članek Svetopisemski alegorizem). Tako je Galileo opozoril, da če Sveto pismo popolnoma razumemo dobesedno, potem se izkaže, da ima Bog roke, podvržen je čustvom, kot je jeza itd. glavna ideja Zagovorniki doktrine o gibanju Zemlje so bili, da imata znanost in vera različne cilje: znanost preučuje pojave materialnega sveta, ki jih vodijo argumenti razuma, cilj religije je moralno izboljšanje človeka, njegovo odrešenje. Galileo je v zvezi s tem citiral kardinala Baronija, da Sveto pismo uči, kako se povzpeti v nebesa, ne pa, kako nebesa delujejo.

Ti argumenti so bili upoštevani Katoliška cerkev neprepričljiv, leta 1616 pa je bil nauk o vrtenju Zemlje prepovedan, leta 1631 pa je Galileja zaradi obrambe obsodila inkvizicija. Zunaj Italije pa ta prepoved ni bistveno vplivala na razvoj znanosti in je pripomogla predvsem k upadu avtoritete same katoliške cerkve.

Dodati je treba, da verskih argumentov proti gibanju Zemlje niso podali le cerkveni voditelji, ampak tudi znanstveniki (na primer Tycho Brahe). Po drugi strani pa je katoliški menih Paolo Foscarini napisal kratek esej »Pismo o pogledih Pitagorejcev in Kopernika na gibljivost Zemlje in negibnost Sonca ter o novem pitagorejskem sistemu vesolja« (1615), kjer je izrazil razmišljanja, ki so blizu Galilejevim, španski teolog Diego de Zuniga pa je celo uporabil Kopernikovo teorijo za razlago nekaterih odlomkov Svetega pisma (čeprav si je kasneje premislil). Tako konflikt med teologijo in naukom o gibanju Zemlje ni bil toliko konflikt med znanostjo in religijo kot tako, temveč konflikt med starim (v začetku 17. stoletja že zastarelim) in novim. metodološka načela, ki so osnova znanosti.

Pomen hipoteze o vrtenju Zemlje za razvoj znanosti

Razumevanje znanstveni problemi, ki ga je sprožila teorija o vrteči se Zemlji, je prispeval k odkritju zakonov klasične mehanike in oblikovanju nove kozmologije, ki temelji na ideji o brezmejnosti vesolja. Protislovja med to teorijo in dobesednim branjem Svetega pisma, o katerih smo razpravljali med tem procesom, so prispevala k razmejitvi naravoslovja in vere.

Skrivnostni in čarobni svet astronomije že od pradavnine pritegne pozornost človeštva. Ljudje so dvigovali glave proti zvezdnatemu nebu in postavljali večna vprašanja, zakaj zvezde spreminjajo svoj položaj, zakaj prideta dan in noč, zakaj nekje tuli snežni metež, nekje v puščavi pa je plus 50 ...

Gibanje svetilk in koledarjev

Večina planetov v sončnem sistemu se vrti okoli sebe. Hkrati vsi delajo revolucije okoli Sonca. Nekateri to počnejo hitro in naglo, drugi počasi in slovesno. Planet Zemlja ni izjema, nenehno se premika v vesolju. Že v starih časih so ljudje, ne da bi poznali razloge in mehanizem tega gibanja, opazili določen splošni vzorec in začeli sestavljati koledarje. Že takrat je človeštvo zanimalo vprašanje, s kakšno hitrostjo se Zemlja vrti okoli Sonca.

Sonce vzhaja ob sončnem vzhodu

Gibanje Zemlje okoli svoje osi je Zemljin dan. In popoln prehod našega planeta v elipsoidni orbiti okoli zvezde je koledarsko leto.

Če stojite na Severni pol in narišemo namišljeno os skozi Zemljo do južnega pola, se izkaže, da se naš planet premika od zahoda proti vzhodu. Se spomnite, da je v "Zgodbi o Igorjevem pohodu" rečeno, da "sonce vzhaja ob sončnem vzhodu"? Vzhod se vedno sreča sončni žarki pred Zahodom. Zato Novo leto na Daljnji vzhod zgodi prej kot v Moskvi.

Hkrati so znanstveniki ugotovili, da sta le dve točki na našem planetu v statični legi glede na severni in južni tečaj.

Nora hitrost

Vsi drugi kraji na planetu so v nenehnem gibanju. Kolikšna je hitrost vrtenja Zemlje okoli Sonca? Na ekvatorju je najvišja in doseže 1670 km na uro. Bližje srednjim zemljepisnim širinam, na primer v Italiji, je hitrost že precej nižja - 1200 km na uro. In bližje kot je polom, manjša in manjša je.

Obdobje vrtenja Zemlje okoli svoje osi je 24 ur. Tako pravijo znanstveniki. Mi temu pravimo preprosteje - dan.

S kakšno hitrostjo se Zemlja vrti okoli Sonca?

350-krat hitrejši od dirkalnika

Poleg vrtenja okoli svoje osi se Zemlja giblje tudi eliptično okoli zvezde, imenovane Sonce. S kakšno hitrostjo so znanstveniki že dolgo izračunali ta indikator z uporabo kompleksnih formul in izračunov. Hitrost kroženja Zemlje okoli Sonca je 107 tisoč kilometrov na uro.

Težko si je sploh poskušati predstavljati te nore, nerealne številke. Na primer, tudi najbolj dirkaški avtomobil - 300 kilometrov na uro - je 356-krat manjša od hitrosti Zemlje v orbiti.

Zdi se nam, da raste in narašča, da je Zemlja nepremična, svetilo pa dela krog po nebu. Zelo za dolgo časa Točno tako je mislilo človeštvo, dokler znanstveniki niso dokazali, da se vse dogaja ravno obratno. Danes že celo šolar ve, kaj se dogaja v svetu: planeti se gladko in slovesno gibljejo okoli Sonca in ne obratno. Zemlja se vrti okoli Sonca in sploh ne tako, kot so verjeli starodavni ljudje.

Tako smo ugotovili, da je hitrost vrtenja Zemlje okoli svoje osi in Sonca 1670 km na uro (na ekvatorju) oziroma 107 tisoč kilometrov na uro. Vau, letimo!

Sončevo in zvezdno leto

Poln krog oziroma elipsoidni oval planet Zemlja obkroži Sonce v 356 dneh 5 urah 48 minutah 46 sekundah. Astronomi te številke imenujejo »astrološko leto«. Zato na vprašanje "Kakšna je frekvenca kroženja Zemlje okoli Sonca?" odgovorimo preprosto in jedrnato: "Leto." Ta številka ostaja nespremenjena, vendar se nam iz neznanega razloga zgodi vsaka štiri leta. prestopno leto, ki ima še en dan.

Samo astronomi so se že dolgo strinjali, da se dodatnih 5 in "kopejk" ur ne šteje vsako leto, ampak so izbrali številko astronomskega leta, ki je večkratnik dneva. Torej ima leto 365 dni. A da sčasoma ne pride do napake, da se naravni ritmi ne premaknejo v času, se enkrat na štiri leta v februarju na koledarju pojavi en sam dan več. V 4 letih se te četrtine "zberejo" v cel dan - in praznujemo prestopno leto. Torej, ko odgovarjamo na vprašanje, kakšna je frekvenca kroženja Zemlje okoli Sonca, lahko rečemo eno leto.

V znanstvenem svetu obstajata pojma "sončno leto" in "zvezdno (zvezdno) leto". Razlika med njima je približno 20 minut in nastane zaradi dejstva, da se naš planet giblje hitreje po svoji orbiti, kot se Sonce vrača na mesto, ki so ga astronomi določili za točko pomladnega enakonočja. Hitrost kroženja Zemlje okoli Sonca že poznamo, polna doba kroženja Zemlje okoli Sonca pa je 1 leto.

Dnevi in ​​leta na drugih planetih

Devet planetov sončnega sistema ima svoje "pojme" o hitrosti, kaj je dan in kaj astronomsko leto.

Planet Venera se na primer okoli sebe obkroži v 243 zemeljskih dneh. Si lahko predstavljate, koliko lahko tam naredite v enem dnevu? In koliko časa traja noč?

Toda na Jupitru je ravno nasprotno. Ta planet se vrti okoli svoje osi z velikansko hitrostjo in se uspe zavrteti za 360 stopinj v 9,92 ure.

Zemljina orbitalna hitrost okoli Sonca je eno leto (365 dni), Merkurjeva pa le 58,6 zemeljskih dni. Na Marsu, Zemlji najbližjem planetu, dan traja skoraj tako dolgo kot na Zemlji – 24 ur in pol, a leto je skoraj dvakrat daljše – 687 dni.

Zemljina revolucija okoli Sonca je 365 dni. Zdaj pa to številko pomnožimo z 247,7 in dobimo eno leto na planetu Pluton. Za nami je minilo tisočletje, na najbolj oddaljenem planetu osončja pa so minila le štiri leta.

To so paradoksalne vrednosti in številke, ki so v svojem obsegu zastrašujoče.

Skrivnostna elipsa

Da bi razumeli, zakaj se letni časi na planetu Zemlja občasno spreminjajo, zakaj mi, v srednji pas, pozimi pa je hladno, ni pomembno le odgovoriti na vprašanje, kako hitro se Zemlja vrti okoli Sonca in po kateri poti. Prav tako je treba razumeti, kako to počne.

In to ne počne v krogu, ampak v elipsi. Če narišemo Zemljino orbito okoli Sonca, vidimo, da je soncu najbližje januarja, najbolj oddaljena pa julija. Najbližjo točko Zemljine orbite imenujemo perihelij, najbolj oddaljeno točko pa afelij.

Ker zemeljska os ni v strogo navpičnem položaju, temveč je nagnjena za približno 23,4 stopinje, glede na elipsoidno orbito pa se naklonski kot poveča na 66,3 stopinje, se izkaže, da je Zemlja v različnih položajih izpostavljena različnim stranem. sonce

Zaradi nagnjenosti orbite se Zemlja proti zvezdi obrača z različnimi poloblami, od tod tudi sprememba vremena. Ko na severni polobli divja zima, na južni polobli cveti vroče poletje. Šest mesecev bo minilo in situacija se bo spremenila ravno nasprotno.

Vrti se, zemeljsko svetilo!

Ali Sonce kroži okoli česa? Seveda! V vesolju ni absolutno nepremičnih predmetov. Vsi planeti, vsi njihovi sateliti, vsi kometi in asteroidi se vrtijo kot ura. Seveda imajo različna nebesna telesa različne vrtilne hitrosti in nagibne kote osi, a so kljub temu vedno v gibanju. In Sonce, ki je zvezda, ni izjema.

Osončje ni samostojen zaprt prostor. Je del ogromne spiralne galaksije, imenovane Rimska cesta. Po drugi strani pa vključuje nič manj kot dodatnih 200 milijard zvezd. Sonce se giblje v krogu glede na središče te galaksije. Znanstveniki so z dolgoročnimi opazovanji in matematičnimi formulami izračunali tudi hitrost vrtenja Sonca okoli osi in galaksije Rimske ceste.

Danes so takšni podatki na voljo. Njegov polni cikel krožnega gibanja mlečna cesta Sonce potrebuje 226 milijonov let, da preide skozi. V astronomski znanosti se ta številka imenuje "galaktično leto". Poleg tega, če si površino galaksije predstavljamo kot ravno, potem naša zvezda rahlo niha, gor in dol, in se izmenično pojavlja na severni in južni polobli Rimske ceste. Pogostost takih nihanj je 30-35 milijonov let.

Znanstveniki verjamejo, da je Sonce v času obstoja Galaksije uspelo narediti 30 polnih obratov okoli Rimske ceste. Tako je Sonce doslej živelo le 30 galaktičnih let. V vsakem primeru, tako pravijo znanstveniki.

Večina znanstvenikov verjame, da se je življenje na Zemlji začelo pred 252 milijoni let. Tako lahko trdimo, da so se prvi živi organizmi na Zemlji pojavili, ko je Sonce naredilo svojo 29. revolucijo okoli Rimske ceste, to je v 29. letu svojega galaktičnega življenja.

Telo in plini se gibljejo različno hitro

Veliko smo se naučili zanimiva dejstva. Hitrost kroženja Zemlje okoli Sonca že poznamo, ugotovili smo, kaj je astronomsko in galaktično leto, s kakšno hitrostjo se gibljeta Zemlja in Sonce po svojih orbitah, zdaj pa bomo ugotovili, s kakšno hitrostjo se vrti Sonce. okoli svoje osi.

Dejstvo, da se Sonce vrti, so opazili že stari raziskovalci. Občasno so se pojavili in izginili na njem. podobne lise, kar nam je omogočilo sklepati, da se vrti okoli osi. Toda s kakšno hitrostjo? Znanstveniki, ki imajo najsodobnejše raziskovalne metode, so se o tem zelo dolgo prepirali.

Navsezadnje ima naša zvezda zelo zapleteno sestavo. Njegovo telo je trdna tekočina. V notranjosti je trdno jedro, okoli katerega se nahaja vroč tekoči plašč. Nad njim je trda skorja. Poleg tega je površina Sonca ovita v vroč plin, ki nenehno gori. Je težek plin, sestavljen predvsem iz vodika.

Torej, samo telo Sonca se vrti počasi, toda ta goreči plin se vrti hitro.

25 dni in 22 let

Zunanja lupina Sonca naredi popoln obrat okoli svoje osi v 27 dneh in pol. Astronomi so to lahko ugotovili z opazovanjem sončnih peg. Ampak to je povprečje. Na ekvatorju se na primer vrtijo hitreje in se okoli svoje osi zavrtijo v 25 dneh. Na polih se pege premikajo s hitrostjo od 31 do 36 dni.

Telo same zvezde se zavrti okoli svoje osi v 22,14 leta. Na splošno se bo Sonce v sto letih zemeljskega življenja obrnilo okoli svoje osi le štirikrat in pol.

Zakaj znanstveniki tako natančno preučujejo hitrost vrtenja naše zvezde?

Ker daje odgovore na številna evolucijska vprašanja. Navsezadnje je sončna zvezda vir življenja za vse življenje na Zemlji. Prav zaradi sončnih izbruhov se je, kot verjamejo številni raziskovalci, na Zemlji pojavilo življenje (pred 252 milijoni let). In prav zaradi obnašanja Sonca so dinozavri in drugi plazilci v davnih časih pomrli.

Sveti nam, Sonce!

Ljudje se nenehno sprašujejo, ali bo Sonce izčrpalo svojo energijo in ugasnilo? Seveda bo ugasnilo - nič na svetu ni večno. In za tako ogromne zvezde obstaja čas rojstva, aktivnosti in razpada. A za zdaj je Sonce sredi evolucijskega cikla in ima dovolj energije. Mimogrede, na samem začetku je bila ta zvezda manj svetla. Astronomi so ugotovili, da je bila v najzgodnejših fazah razvoja svetlost Sonca za 70 odstotkov nižja kot je zdaj.