РУХ ПЛАНЕТ І МІСЯЦЯ

Розділ ІІ Механічний рух

& 17. РУХ ПЛАНЕТ І МІСЯЦЯ

Сонячна система складається з Сонця і восьми планет (мал. 17.1), які обертаються навколо нього. Планети підрозділяються на дві групи: планети земної групи і планети-гіганти. Планети земної групи: Меркурій, Венера, Земля, Марс мають тверду оболонку і складаються переважно з важких елементів. Зовнішні планети: Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун складаються з газів, переважно водню і гелію – їх ще називають газовими гігантами за величезні розміри. Внутрішні і зовнішні планети розділені поясом

астероїдів.

 РУХ ПЛАНЕТ І МІСЯЦЯ

Мал. 17.1. Сонце – Меркурій – Венера – Земля – Марс. Пояс астероїдів. Юпітер – Сатурн – Уран – Нептун – газові гіганти

Склад Сонячної системи

До 2006 року до складу Сонячної системи входила ще одна планета – Плутон. Але через те, що космічні апарати відкрили за Плутоном іще декілька небесних тіл приблизно таких самих розмірів, було вирішено обмежити число планет до восьми. Окрім того, Плутон має витягнуту орбіту, яка сильно нахилена

до площини обертання інших планет.

Впродовж тисячоліть астрономи спостерігали за досить складним рухом Сонця, Місяця та планет на фоні зоряного неба і вважали, що всі вони рухаються навколо Землі. У 1543 році польський астроном Микола Копернік запропонував вибрати за тіло відліку Сонце, з огляду на значно простіший спосіб описання руху планет. Згідно геліоцентричної системи Коперніка Земля та інші планети обертаються навколо Сонця. Траєкторія кожної з планет Сонячної системи (табл. 14.1) є еліпсом, а Сонце знаходиться в одному з фокусів цього еліпса.

Рух планет навколо Сонця

Орбіти більшості планет лежать майже в одній площині, яка називається площиною екліптики (мал. 17.2), й обертаються в один і той самий бік. Сонце лежить у цій самій площині й обертається навколо власної вісі в тому ж напрямку, що й планети. Площина орбіти Плутона нахилена до площини екліптики під кутом 17°.

 РУХ ПЛАНЕТ І МІСЯЦЯ

Мал. 17.2. Орбіти планет. Площина екліптики виділена. Орбіта Плутона явно виділяється нахилом і витягнутістю.

Проте орбіти планет, окрім Плутона, настільки мало відрізняються від кіл, що тільки надзвичайно кропіткі розрахунки Кеплера, які він завершив у 1609 році, дозволили встановити цю відмінність. Історія цього відкриття така.

З історії науки. Датський астроном Тіхо Браге досяг небаченої для свого часу точності вимірювань положення планет на небі. Він заповів результати власних астрономічних спостережень своєму співробітникові, німецькому астроному Йоганну Кеплеру. Аналізуючи дані про рух Марса, Кеплер встановив, що планета рухається по орбіті

Нерівномірно – якби планета рухалась по колу, то такого не могло б бути. Перший закон Кеплера твердить: планети рухаються по еліпсах, в одному із фокусів яких знаходиться Сонце. Йому знадобилося п’ять років, щоб обчисленнями довести цей факт.

У наведеній нижче таблиці зазначено основні дані про Сонячну систему.

Таблиця 17.1.

Основні дані про планети Сонячної системи і Плутон

Радіуси небесних тіл, км

Тривалість доби відносно зірок

Велика піввісь орбіти, км

Період обертання навколо Сонця

Меркурій

2570

88 діб

57,9 млн.

88 діб

Венера

6310

243 доби

108 млн.

224,7 діб

Земля

6380

23 год. 56 хв. 4с

149 млн.

365, 26 діб

Марс

3430

24 год. 37 хв. 23 с

228 млн.

687 діб

Юпітер

71800

9 год. 50 хв. 30с

778 млн.

11,9 років

Сатурн

60300

10 год. 14 хв.

1,43 млрд.

29,5 років

Уран

26700

11 год.

2,87 млрд.

84 роки

Нептун

24800

16 год.

4,50 млрд.

164,8 років

Плутон

2743

6 діб 9 год.

5,90 млрд.

247,7 років

Період обертання Землі навколо власної осі дорівнює 24 годинам і називається сонячною добою, або просто добою. Періоди обертання іншихпланет і Місяця вказані в таблиці у земних добах.

Рік – це період обертання планети навколо Сонця. Земний рік дорівнює 365,26 земних діб. Періоди обертання решти планет вказані у земних добах або в земних роках.

За мільярди років обертання Місяця навколо Землі він сповільнив обертання навколо своєї осі настільки, що зараз повернутий до нас завжди однією своєю стороною і тому робить один оберт навколо власної осі за один місяць.

Земля також сповільнює своє добове обертання (головно через спричинені Місяцем припливи в океані та рідкому ядрі Землі), але відбувається це дуже повільно, проте 3,5 млрд. років тому земна доба становила лише 6 годин.

Місяць – природний супутник Землі

Окрім Меркурія і Венери, усі інші планети Сонячної системи мають природні супутники, у Землі це – Місяць. Спостерігаючи за рухом Місяця, можна помітити, що за добу він зміщується на фоні зоряного неба на схід приблизно на 13°. Засікаючи мінімальний час, через який Місяць знову займе своє попереднє положення відносно зір (позиція 2 на мал. 17.3), можна визначити зоряний період обертання Місяця навколо Землі: 27,3 доби (27 діб 7 год. і 43 хв.). Потрібно розуміти, що промені від зір ідуть практично паралельно, через величезну відстань до них.

 РУХ ПЛАНЕТ І МІСЯЦЯ

Мал. 17.3. Місяць – Земля – Сонце.

Якщо визначити проміжок часу між двома послідовними однаковими фазами Місяця (наприклад повним і наступним повним Місяцем позиція 3 на мал. 17.3), то отримаємо його сонячний період обертання, який триває приблизно 29,5 доби (29 діб 12 год. 44 хв.).

Тема для дослідження

17.1. Поясніть за допомогою мал. 11.3, чому період обертання Місяця навколо Землі дорівнює 27,3 діб відносно нерухомих зір, і 29,5 діб відносно Сонця.

17.2. Поясніть малюнком, чому період обертання Землі навколо осі відносно нерухомих зір становить 23 год. 56 хв., і 24 год. відносно Сонця.

17.2. Напишіть реферат про історію вилучення Плутона з сімейства планет Сонячної системи.

Сонячні і Місячні затемнення

Траєкторію Місяця навколо Землі можна наближено вважати колом (мал. 17.4). Промені світла від Сонця ідуть практично паралельно, через величезну відстань до нього.

Сонячні затемнення можливі, коли Місяць опиняється між Сонцем і Землею на одній лінії. Кутові розміри Місяця і Сонця практично однакові (тобто здаються однаковими за розмірами). Під час повного Сонячного затемнення Місяць закриває Сонце.

Місячне затемнення можливе, коли Земля опиняється між Сонцем і Місяцем на одній лінії. Здавалося б, що сонячні і місячні затемнення повинні відбуватися щомісяця, але це не так. Площина орбіти Місяця нахилена до площини екліптики під кутом 5°, тому у більшості випадків, коли Місяць опиняється між Сонцем і Землею, сонячне затемнення не відбувається, оскільки Місяць знаходиться вище чи нижче площини екліптики.

Проте в певні моменти часу (спробуйте пояснити це малюнком) Земля, Місяць і Сонце все ж таки можуть опинитися на одній прямій, що лежить одночасно і в площині екліптики, і в площині орбіти Місяця. В такому випадку сонячне чи місячне затемнення можна спостерігати.

Фази Місяця

Цікаво слідкувати за фазами Місяця.

На мал. 17.4 а зображено положення Місяця відносно Землі у різні моменти його руху по навколоземній орбіті. Малюнок зроблено з позиції спостерігача, який знаходиться в космосі вище площини орбіти Місяця прямо над північним полюсом Землі. Земля обертається навколо своєї вісі проти годинникової стрілки (з заходу на схід). В той самий бік обертається по своїй орбіті і Місяць. Мал. 17.4 б показує Місяць таким, як його бачить земний спостерігач. Повний місяць спостерігається в положенні 3, коли земний спостерігач бачить його повністю освітленим. В цій же позиції можливо спостерігати місячне затемнення (якщо Місяць лежить у площині екліптики). В положенні 2 земний спостерігач бачить освітленою праву половину Місяця – це перша чверть. В положенні 4 земний спостерігач бачить освітленою ліву половину Місяця – це остання чверть. В положенні 1 диск Місяця не видно, але вже наступного дня справа на диску з’явиться вузенький світний серп – молодик. Якщо в положенні 1 Місяць знаходитиметься ще й в площині екліптики, то з деяких точок Землі можна спостерігати сонячне затемнення.

 РУХ ПЛАНЕТ І МІСЯЦЯ

Мал. 17.4. Фази Місяця. 3 – повний місяць, 2 – перша чверть, 4 – остання чверть. 1 – народження нового місяця.

Таблиця 17.2.

Основні дані про Місяць

Радіус Місяця

Період обертання навколо Землі

Радіус орбіти Місяця

Зоряний період

Сонячний період

1740 км

27,3 діб

29,5 діб

380 000 км

Підведемо підсумки

– Вісім планет Сонячної системи рухаються по еліпсах, які мало відрізняються від кіл.

– Усі планети рухаються майже в одній площині (площині екліптики).

– Сонячні і місячні затемнення відбуваються, коли Сонце, Місяць і Земля знаходяться на одній прямій і в одній площині.

Творчі завдання

17.1-3. За допомогою яких спостережень можна помітити: а) добове обертання Землі? б) Рух Місяця навколо Землі? в) Рух Землі навколо Сонця?

17.4. Чому всі планети обертаються в один і той самий бік, а їх орбіти лежать майже в одній площині?

Вправа 17

1. Скільки планет входить зараз до складу Сонячної системи?

2. Назвіть дві причини, чому Плутон вилучили зі складу планет Сонячної системи.

3. Чому ми бачимо тільки одну сторону Місяця?

4. Чому сповільнюється добове обертання Землі?

5. Чому зоряний і сонячний періоди обертання Місяця навколо Землі відрізняються між собою?

6. Наведіть назви чотирьох основних фаз Місяця.

7. Куди зміщується на фоні нічного зоряного неба протягом ночі Місяць?

8. Розкрутіть на столі сире яйце і зварене. Чим відрізняються їхні обертання? Спробуйте пояснити це явище.

9. Який період обертання секундної і хвилинної стрілок годинника?

10. З якою швидкістю рухається Місяць навколо Землі, якщо його зоряний період обертання становить 27,3 земних діб, а середній радіус орбіти 380 000 км?

11. а) Вкажіть на мал. 17.4 у якій точці орбіти Місяця і за яких умов може відбутися сонячне затемнення? б) У якій точці орбіти Місяця може відбутися місячне затемнення?

12. За скільки хвилин світло від Сонця доходить до Землі?

13. Знайдіть (наближено) відношення радіусу Землі до радіусу Місяця, виразивши його цілим числом.

14. Знайдіть (наближено) відношення радіусу орбіти Місяця до радіусу Землі, виразивши його цілим числом.

15. Які закономірності й особливості в періодах обертання планет навколо Сонця ви помітили, вивчаючи таблицю 17.1?

16. О 12-й годині хвилинна і годинна стрілки співпадають. Через який мінімальний час вони знову співпадуть?

17. Штучний супутник обертається навколо Землі в напрямку із заходу на схід. Що більше: час обертання супутника відносно Землі чи відносно нерухомих зірок?




РУХ ПЛАНЕТ І МІСЯЦЯ