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 ...................................................................................... 7Глава 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!»
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
Здесь я решил сделать подборку ответов на самые каверзные вопросы о Луне. Пишите новые вопросы и свои ответы в комментариях внизу странички!
1. Почему Луна не падает на Землю?
По той же причине по которой все планеты не падают на Солнце - центробежная сила, возникающая при движении Луны вокруг Земли, компенсирует силу гравитации между Землей и Луной. Но если Луну остановить относительно Земли - она упадет.
2. Солнце притягивает Луну в 2,2 раза сильнее чем Земля. Почему же Луна не улетает от Земли к Солнцу?
Это происходит потому, что Луна и Земля двигаются вместе по орбите вокруг Солнца и центробежная сила возникающая при движении Луны вокруг Солнца компенсирует силу гравитации Солнца. Если к примеру убрать Землю, Луна будет вращаться вокруг Солнца практически по той же орбите по которой она вращается вместе с Землей вокруг Солнца.
3. Луна удаляется от Земли ежегодно примерно на 4см. Возможно это связано с тем, что Солнце притягивает Луну сильнее чем Земля?
Не совсем так. Удаление Луны от Земли - следствие приливного ускорения. Смысл явления следующий. Земля вращается вокруг своей оси с периодом сутки, тогда как Луна вращается вокруг Земли с периодом 27,3 суток. В результате гравитационное поле Земли подталкивает Луну (отдельные детали быстро вращающейся Земли увлекают за собой медленно летящую Луну), то есть отдает свою энергию движению Луны вокруг Земли. Эта энергия ускоряет Луну, а значит поднимает ее орбиту.
4. И что, Луна потом совсем улетит от Земли?
Далеко не улетит:) Отбирая энергию вращения Земли на подъем своей орбиты, Луна тормозит вращение Земли. Из-за этого Земля замедляет вращение вокруг своей оси и геостационарная орбита (то есть та орбита, на которой скорость полета спутника над планетой равна скорости вращения планеты) Земли поднимается. В конце концов Луна окажется на геостационарной орбите и наступит явление полной синхронизации при котором Луна и Земля будут смотреть друг-на-друга только одной стороной. Это устойчивое состояние и оно будет продолжаться миллиарды лет. И лишь в очень отдаленном будущем влияние нашего Солнца (или какого-то другого объекта) может затормозить взаимное вращение пары Луна-Земля и Луна упадет на Землю.
5. Американцы были на Луне или нет?
Актуальность:
12 апреля наша страна вспоминает грандиозное событие – полет человека в космос. На уроках мы тоже обсуждали тему космоса, рисовали рисунки. И учительница попросила нас приготовить интересные доклады про космос. Поэтому я выбрал именно эту тему, так как мне самому это интересно. И в преддверии этого праздника “Дня космонавтики” для нас это актуально, думаю, что и вас заинтересует.
Мои предположения:
Дома я достал энциклопедию ” Небесные тела” и стал читать. Тут я себя спросил, а может Луна на нас упасть? Я ответил, что, наверное, Луна упадет в том случае, если приблизится к Земле. А, может быть, ее что–то держит с Землей, поэтому она не падает и никуда не улетает.
Цель и задачи моей работы:
Я решил подробнее изучить литературу, как Луна образовалась, как влияет на Землю, что ее связывает с Землей, и почему Луна не улетает в космос и не падает на Землю. И вот что я узнал.
Введение
В астрономии спутником называется тело, которое вращается вокруг большого по размерам тела и удерживается силой его притяжения. Луна – спутник Земли. Земля– спутник Солнца. Луна – твердое, холодное, шарообразное небесное тело, которое в 4 раза меньше Земли.
Луна– самое близкое к Земле небесное тело. Если было бы возможно, то турист шел бы до Луны 40 лет
Система Земля – Луна – уникальна в Солнечной системе, так как ни одна планета не имеет такой крупный спутник. Луна – единственный спутник Земли.
Она видна невооруженным глазом лучше, чем любая планета в телескоп. Много загадок таит в себе наш спутник.
Луна – это пока единственное космическое тело, на котором побывал человек. Луна обращается вокруг Земли точно так же, как Земля обращается вокруг Солнца (см. рис. 1).
Расстояние между центрами Луны и Земли примерно 384467 км.
Как выглядит Луна?
Луна совсем не похожа на Землю. Там нет ни воздуха, ни воды, ни жизни. Концентрация газов у поверхности Луны равноценна глубокому вакууму. Из–за отсутствия атмосферы её мрачные пыльные просторы раскаляются днём до + 120 °С и промерзают ночью или просто в тени до – 160 °С. Небо на Луне всегда чёрное, даже днём. Огромный диск Земли выглядит с Луны больше чем в 3,5 раза, чем Луна с Земли, и висит в небе почти неподвижно (см. рис. 2).
Вся поверхность Луны изрыта воронками, которые называют кратерами. Ты можешь увидеть их, присмотревшись к Луне в ясную ночь. Некоторые кратеры такие большие, что в них мог бы уместиться огромный город. Основные варианты образования кратеров две – вулканическая и метеоритная.
Поверхность Луны можно разделить на два типа: очень старая гористая местность (лунный материк) и относительно гладкие и более молодые лунные моря.
Лунные моря, которые составляют приблизительно 16 % всей поверхности Луны, – это огромные кратеры, возникшие в результате столкновения с небесными телами, которые были позже затоплены жидкой лавой. Лунным морям были даны названия: Море Кризисов, Море Изобилия, Море Спокойствия, Море Дождей, Море Облаков, Море Москвы и другие.
В сравнении с Землёй Луна очень маленькая. Радиус Луны равен 1738 км, объём Луны составляет 2 % от объёма Земли, а площадь – примерно 7,5 %
Как образовалась Луна?
Луна и Земля – почти ровесники. Вот одна из версий образования Луны.
1. Вскоре после образования Земли в неё врезалось огромное небесное тело.
2. От удара оно разлетелось на множество осколков.
3. Под действием гравитации (притяжения) Земли осколки стали обращаться вокруг неё.
4. Со временем осколки собрались вместе, и из них образовалась Луна.
Фазы Луны
Луна каждый день меняет свой вид. Сначала узенький серп, затем Луна полнеет и через несколько дней становится круглой. Еще 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, превращается снова в полную Луну.
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 происходит каждые четыре недели, точнее за 29 с половиной суток. Это лунный месяц. Он послужил основой для составления лунного календаря. Во время полнолуния Луна повернута к Земле освещенной стороной, а во время новолуния – неосвещенной стороной. 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.
Приливы и отливы
Гравитационные силы между Землёй и Луной вызывают некоторые интересные эффекты. Наиболее известный из них – морские приливы и отливы. Разность уровней прилива и отлива на открытых пространствах океана невелика и составляет 30–40 см. Однако вблизи берегов вследствие набега приливной волны на твёрдое дно, приливная волна увеличивает высоту точно так же, как обычные ветровые волны прибоя.
Учитывая направление вращения Луны вокруг Земли, можно составить картину следования приливной волны по океану. Максимальная амплитуда приливной волны на Земле наблюдается в заливе Фанди в Канаде и составляет 18 метров.
Исследования Луны
Луна привлекала внимание людей с древних времён. Изобретение телескопов позволило различать более мелкие детали рельефа (форма поверхности) Луны. Одну из первых лунных карт составил Джованни Риччиоли в 1651 году, он же дал названия крупным тёмным областям, именовав их “морями”, чем мы и пользуемся до сих пор. В 1881 Жюль Янссен составил детальный “Фотографический атлас Луны”.
С началом космической эры количество наших знаний о Луне значительно увеличилось. Впервые Луну посетил советский космический корабль “Луна–2” 13 сентября 1959 года.
Впервые удалось заглянуть на обратную сторону Луны в 1959 году, когда советская станция “Луна–3” пролетела над ней и сфотографировала невидимую с Земли часть её поверхности.
Американская программа пилотируемого полёта на Луну называлась “Аполлон”.
Первая посадка произошла 20 июля 1969 года, а первым человеком, ступившим на поверхность Луны, стал американец Нил Армстронг. На Луне побывали шесть экспедиций, но в последний раз это было в далёком 1972 году, так как экспедиции очень дорогостоящие. Каждый раз на неё высаживались два человека, которые проводили на Луне до трёх суток. В настоящее время готовятся новые экспедиции.
Почему же Луна не падает на Землю?
Луна моментально упала бы на Землю, если бы была неподвижной. Но Луна не стоит на месте, она вращается вокруг Земли.
Когда мы бросаем объект, такой как теннисный мяч сила тяжести тянет его по направлению к центру земли.Даже брошенный с большой скоростью теннисный мяч все равно упадет на землю, но картина изменится если объект находится гораздо дальше и движется гораздо быстрее.
Мой опыт:
Я задал этот вопрос своему папе, и он объяснил мне на простом примере. Мы привязали на нитку обыкновенный ластик. Представьте себе, что вы – это Земля, а ластик – луна, и начните ее раскручивать. Ластик на нитке будет прямо–таки вырываться из вашей руки, но нитка его не пустит. Луна находится так далеко и движется так быстро, что падение вниз никогда не происходит в одном направлении. Даже падая постоянно, луна никогда не упадет на землю. Вместо этого она движется вокруг земли по постоянному пути.
Если мы будем вращать ластик очень сильно, то нить порвется, а если медленно то ластик упадет.
Делаем вывод: 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. Этот точный баланс скорости притяжения создает то,что мы называем орбитой, где меньшее небесное тело постоянно обращается вокруг большего.
Сила, которая не дает Луне “убежать” при вращении – это сила притяжения Земли. А сила, которая не дает Луне упасть на Землю – это центробежная сила, которая возникает при вращении Луны вокруг Земли.
Обращаясь 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.
Между прочим...
Вы удивитесь, но на самом деле Луна... отдаляется от Земли со скоростью 3–4 см в год! Движение Луны вокруг Земли можно представить как медленно раскручивающуюся спираль. Причиной такой траектории Луны является Солнце, которое притягивает Луну в 2 раза сильнее, чем Земля.
Почему же тогда Луна не падает на Солнце? А потому что Луна вместе с Землей вращается, в свою очередь, вокруг Солнца, и притягательное действие Солнца без остатка тратится на то, чтобы постоянно переводить оба эти тела с прямого пути на искривленную орбиту.
– Сама Луна не светится, она лишь отражает падающий на неё солнечный свет;
– Луна оборачивается вокруг своей оси за 27 земных суток; за это же время она совершает один оборот вокруг Земли;
– Луна, вращаясь вокруг земли, всегда обращена к нам одной стороной, обратная её сторона остаётся для нас невидимой;
– Луна, двигаясь по своей орбите, постепенно удаляется от Земли примерно на 4 см. в год.
– Сила тяжести на Луне в 6 раз меньше, чем на Земле.
Поэтому взлететь ракете с Луны гораздо легче, чем с Земли.
Возможно, что скоро в далекие межпланетные рейсы космические корабли будут отправляться не с Земли, а с Луны.
С началом нынешнего века Китай объявил о своей готовности исследовать Луну, а также выстроить там несколько обитаемых лунных баз. После этого заявления космические организации ведущих стран, а в частности США (НАСА) и ЕКА (Европейское Космическое Агентство) снова развернули свои космические программы.
Что из этого выйдет?
Посмотрим в 2020 году. Именно на этот год Дж.Бушем была запланирована высадка людей на Луну. Эта дата опережает Китай на целых десять лет, так как в их космической программе было сказано, что создание обитаемых лунных баз и высадка на них людей состоится лишь в 2030 году.
Луна является наиболее исследованным небесным телом, но для человека она таит в себе ещё очень много загадок: возможно, она является базой внеземных цивилизаций, возможно жизнь на Земле была бы совершенно другой, если бы не было Луны, возможно в будущем человек поселится и на Луне...
Выводы:
Итак, мы выяснили, что Луна – это естественный спутник Земли, она вращается вокруг нашей планеты и вместе с Землей, движется по орбите вокруг Солнца;
– вопрос о происхождении Луны до сих пор остаётся спорным;
– изменения формы Луны называются фазами. Они существуют только для нас,
Одно из моих предположений оказалось верным, Луну действительно что–то держит, и это – сила притяжения Земли и центробежная сила.
А другое мое предположение, что Луна упадет, если приблизится к Земле не совсем верное. Луна упадет на Землю тогда, когда Луна перестанет вращаться, будет неподвижной, тогда и не сработает центробежная сила.
Изучая энциклопедии и интернет, я узнал много нового и интересного. Обязательно поделюсь этими открытиями с одноклассниками на уроке окружающий мир.
Нам удалось разгадать некоторые загадки Луны, но от этого она не стала менее интересной и притягательной!
Использованная литература:
1. “Космос. Сверхновый атлас Вселенной”, М., ” Эксмо”,2006г.
2. Новая школьная энциклопедия ” Небесные тела”, М., “Росмен”,2005г
3. “Почемучка” Детская энциклопедия, М., ” Росмен”, 2005г.
4. “Что такое? Кто такой?” детская энциклопедия, М.,”Педагогика –
Пресс“1995 г.
5. Интернет – справочники, картинки про космос.
Выполнил: ученик 3Б класса
Халиуллин Ильдар
Руководитель: Сакаева Г.Ч.
МОУ СОШ №79, г. Уфа