Наша звезда, снятая через фильтры
Вращение Солнца зависит от того откуда его измеряет наблюдатель, заинтересованы? Пятна на экваторе примерно за 24,47 земных суток, совершают полный оборот вокруг.
Астрономы называют это сидерическим периодом вращения, который отличается от синодического периода количеством времени, необходимого для того, чтобы пятна повернулись вокруг Солнца при наблюдении с Земли.
Скорость вращения уменьшается по мере приближения к полюсам, так что на полюсах период вращения вокруг оси может достигать 38 дней.
Наблюдения вращения
Движение Солнца хорошо заметно, если наблюдать его пятна. Все пятна двигаются по поверхности. Это движение является частью общего движения звезды вокруг своей оси.
Наблюдения показывают, что оно вращается не как твердое тело, а дифференцированно.
Это означает, что оно движется быстрее на экваторе и медленнее на полюсах. Газовые гиганты: Юпитер и Сатурн, также имеют дифференциальное вращение.
Астрономы измерили скорость вращения Солнца с широты 26 ° от экватора, и обнаружили, что один оборот вокруг оси занимает 25,38 дней. Его ось составляет угол, равный 7 градусам и 15 минутам.
Внутренние регионы и ядро вращаются вместе как твердое тело. А внешние слои, конвективная зона и фотосфера, вращаются с разной скоростью.
Обращение Солнца вокруг центра галактики
Наше светило и мы вместе с ним вращается вокруг центра галактики Млечный Путь. Средняя скорость составляет 828000 км/час. Один оборот занимает около 230 миллионов лет. Млечный Путь является спиральной галактикой. Считается, что она состоит из центрального ядра, 4-х основных рукавов, имеющих несколько коротких сегментов.
Еще с давних времен человечеству известны два основных вида движения Земли - вращение вокруг своей оси и вокруг Солнца.
Обороты вокруг своей оси
Установлено, что Земля вращается вокруг своей оси против часовой стрелки, то есть с запада на восток. Полный оборот вокруг своей оси Земля совершает за 23 часа 56 минут и 4,091 секунды. Этот период называется звездными сутками. Ось, вокруг которой происходит вращение Земли, мнимая. Она наклонена к плоскости ее орбиты на 23,5°. Этот угол во время движения Земли не изменяется. Северный конец мнимой оси всегда направлен в сторону Полярной звезды.
Вращаясь, Земля подставляет к Солнцу то одну сторону, то другую. На освещенной Солнцем стороне Земли день, а на противоположной - ночь. Таким образом, изменение дня и ночи является следствием вращения Земли вокруг своей оси.
Теллурий - прибор, наглядно показывающий годовое движение Земли вокруг Солнца и суточное вращение Земли вокруг своей оси
Точки пересечения воображаемой земной оси с поверхностью Земли называются географическими полюсами. Таких полюсов два - Северный и Южный. На одинаковом расстоянии от полюсов на поверхности земного шара проведен мнимый круг - экватор. К северу от экватора расположено Северное полушарие Земли, к югу - Южное.
Поскольку ось вращения Земли наклонена но отношению к плоскости эклиптики на 23,5°, в близких к полюсам районах летом Солнце почти не заходит, и несколько месяцев длится полярный день. Зимой же Солнце почти не восходит, и несколько месяцев длится полярная ночь.
Почему Бывает високосный год
Земля делает полный оборот вокруг Солнца за 365 суток и 6 часов, то есть за год. Для удобства считается, что в году ровно 365 суток, а через каждые четыре года, когда из оставшегося времени «собирается» еще 24 часа, в году добавляются еще одни сутки и в нем становится 366 дней. Такой год называется високосным, а сутки добавляют в феврале - и вместо привычных 28 в нем 29 дней.
Солнцестояния и равноденствия
Изменение дня и ночи происходит на Земле непрерывно. Но два раза в год в дни весеннего и осеннего равноденствия - 21 марта и 23 сентября - их продолжительность одинакова во всех точках земного шара.
Самый длинный день и кратчайшая ночь бывает в день летнего солнцестояния, который в Северном полушарии приходится на 21-22 июня. В это время земная ось наклонена северным концом к Солнцу. Северное полушарие получает больше тепла, чем Южное, а потому в первом из них - лето, во втором - зима. А 21-22 декабря, наоборот, к Солнцу наклонен южный конец земной оси. В Южном полушарии в это время лето, а в Северном - зима. Это - день зимнего солнцестояния, кратчайший в Северном полушарии.
Ученые пришли к следующим выводам - скорость вращения земли падает. Это приводит к следующим последствия - день удлиняется. Если не вдаваться в подробности, то в северном полушарии светлая часть дня становится несколько длиннее, чем в зимний период. Но это толкование подходит только для непосвященных. Геофизики приходят к более глубинным выводам - дни увеличивают свои временные рамки не только в весенний период. Причина удлинения дня лежит, прежде всего, в воздействии Луны.
Сила притяжения естественного спутника земли, настолько велика, что она вызывает волнение в океанах, заставляя их колыхаться. Земля же при этом поступает по аналогии с фигуристками, которые для замедления вращения во время выполнения своей программ, выставляют руки. Именно из-за этого, спустя какое-то время в обычных земных сутках будет насчитываться на один час больше, чем мы привыкли. Один астроном из Великобритании пришел к заключению, что начиная с 700 года до нашей Эры наблюдается непрерывное замедление вращения Земли вокруг своей оси. Скорость вращения Земли он рассчитывал, опираясь на данные, сохранившиеся с тех времен -глиняные таблички и исторические свидетельства, в которых описываются лунные и солнечные затмения. Опираясь на них, ученый рассчитал положение Солнца и смог определить, какой тормозной путь проделывала наша планета относительно своей звезды. 530 млн. лет скорость вращения Земли была намного меньше, и в сутках был всего 21 час.
А динозавры, населявшие просторы нашей планеты сто миллионов лет назад уже жили при сутках в 23 часа. Это можно определить, изучая известковые отложения, которые оставляли кораллы. Их толщина зависит о того, какое время года присутствует на планете. На этом основании, можно достаточно точно определить - в каком промежутке друг от друга были весны. И продолжительность эта сокращается на всем продолжении существования нашей планеты. Пол миллиона лет назад наша планета осуществляда движение около оси быстрее, при этом, движение вокруг звезды остается постоянной величиной. Это означает то, что год за все эити миллионы лет остался прежним, в нем осталось столько же часов. Но дней в этом году было не 365, как сегодня, а 420. После появления человечества, эта тенденция не прекратила своего существования. Скорость вращения Земли вокруг своей оси постоянно замедляется. Journal for the History of Astronomy опубликовал статью, посвященную этому феномену в 2008 году.
Стефенсон, работающий в университете Дарема (Великобритания) для того, чтобы полностью увериться и подтвердить гипотезу, проанализировал сотни затмений, которые произошли за последние 2,7 тысячи лет. В глиняных табличках древнего Вавилона очень подробно описываются все небесные явления, зафиксированные при помощи клинописи. Ученые отмечали и время события и его точную дату. Еще одна особенность - полное солнечное затмение на Земле наблюдается не так часто всего один раз в 300 лет. В этот момент Солнце полностью скрывается за Землей и на нее опускается полная тьма на несколько минут. Очень часто древние ученые с большой точностью описывали и начало затмения и его окончание. И эти данные использовались современным астрономом для того, чтобы определить положение нашей звезды относительно Земли.
Перерасчет дат календаря времен Вавилона происходил по специально составленным таблицам, облегчавшим работу. Именно эти данные позволяют астрономам с большой точностью определить. Каким образом происходило торможение Земли. Правильные данные о ее положении относительно Солнца, позволяют определить ее позицию в тот момент, когда она проходит мимо Солнца. Траектория движения планеты вокруг Солнца находится в зависимости от движения вокруг собственной оси. Террестрическое время, которое выводится из этой зависимости, является независимой величиной. Это универсальное время - общепринятый показатель, который рассчитывается исходя из того, как земля вращается вокруг своей оси и в каком положении она находится относительно Солнца. Это универсальное время постоянно сдвигается назад, так как каждый год к году добавляется еще одна секунда, которая вызывается, как раз, процессом торможения Земли. И как оказалось, разница между террестричиским и универсальным временем становится все больше, в зависимости от такого, как давно происходило солнечное затмение. Это может означать только одно - каждое тысячелетие прибавляет к суткам целых 0,002 секунды. Эти данные подтверждаются и изменениями, проводимыми со спутниковых лабораторий, выведенных на орбиту земли.
Скорость замедления полностью соответствует расчетам, которые сделал ученый из Великобритании. И во то время, когда наблюдался расцвет цивилизации Вавилона, сутки на земле длились несколько меньше, разница с современным временем составляла 0,04 секунды. И это мизерное отклонение было вычислено Стефенсоном благодаря тому, что он смог сопоставить универсальное время и оценить накопленные в нем ошибки. Так как с 700 года до наших дней прошло около миллиона суток, то мы могли перевести свои электронные часы на 7 часов, столько времени было добавлено ко времени обращения Земли вокруг оси.
Последние годы для Земли стали исключением, за это время удлинения суток практически не происходит и Земля продолжает движение с неизменной скоростью. Массы, находящиеся внутри земли, возможно, стали компенсировать те колебания, которые вызывает влияние магнитного поля Луны. А ускорение движения планеты могло быть вызвано, к примеру, землетрясением в Аргентине 2004 года, после которого сутки укоротились на 8 миллионных секунды. Самые короткие сутки в истории были зафиксированы в 2003 году, когда в них не было и 24 часов (не хватило 1, 005 секунд). Международная служба, изучающая вращение Земли и геофизики пристально наблюдают за проблемой замедления скорости вращения земли и теми процессами, которые влияют на ее движение. Ведь это позволит дать ответы на многие глобальные вопросы, связанные со строением планеты и теми процессами, которые происходят в глубинных структурах - мантии и ядре. Что облегает исследовательскую и научную деятельность сейсмологов и геофизиков.
Движение вокруг оси вращения является одним из распространенных видов перемещения объектов в природе. В данной статье этот тип движения рассмотрим с точки зрения динамики и кинематики. Также приведем формулы, связывающие основные физические величины.
О каком движении пойдет речь?
В буквальном смысле речь пойдет о перемещении тел по окружности, то есть об их вращении. Ярким примером такого движения является вращение колеса автомобиля или велосипеда во время перемещения транспортного средства. Вращение вокруг своей оси фигуриста, выполняющего сложные пируэты на льду. Или вращение нашей планеты вокруг Солнца и вокруг собственной, наклонной к плоскости эклиптики, оси.
Как можно заметить, важным элементом рассматриваемого типа движения является ось вращения. Каждая точка тела произвольной формы совершает вокруг нее круговые движения. Расстояние от точки до оси называют радиусом вращения. От его значения зависят многие свойства всей механической системы, например момент инерции, линейная скорость и другие.
Если причиной линейного поступательного перемещения тел в пространстве является действующая на них внешняя сила, то причиной движения вокруг оси вращения является внешний момент силы. Эта величина описывается как векторное произведение приложенной силы F¯ на вектор расстояния от точки ее приложения до оси r¯, то есть:
Действие момента M¯ приводит к появлению углового ускорения α¯ в системе. Обе величины связаны друг с другом через некоторый коэффициент I следующим равенством:
Величина I называется моментом инерции. Он зависит как от формы тела, так и от распределения массы внутри него и от расстояния до оси вращения. Для материальной точки он вычисляется по формуле:
Если внешний равен нулю, тогда система сохраняет свой момент импульса L¯. Это еще одна векторная величина, которая, согласно определению, равна:
Здесь p¯ - импульс линейный.
Закон сохранения момента L¯ принято записывать в таком виде:
Где ω - скорость угловая. О ней речь пойдет дальше в статье.
Кинематика вращения
В отличие от динамики, этот раздел физики рассматривает исключительно практические важные величины, связанные с изменением во времени положения тел в пространстве. То есть объектом изучения кинематики вращения являются скорости, ускорения и углы поворота.
Для начала введем угловую скорость. Под ней понимают угол, на который тело совершает поворот за единицу времени. Формула для мгновенной угловой скорости имеет вид:
Если за одинаковые промежутки времени тело совершает повороты на равные углы, тогда вращение называют равномерным. Для него справедлива формула для средней угловой скорости:
Измеряется ω в радианах в секунду, что в системе СИ соответствует обратным секундам (с -1).
В случае неравномерного вращения используют понятие углового ускорения α. Оно определяет скорость изменения во времени величины ω, то есть:
α = dω/dt = d 2 θ/dt 2
Измеряется α в радианах в секунду квадратную (в СИ - с -2).
Если тело изначально вращалось равномерно со скоростью ω 0 , а затем начало увеличивать свою скорость с постоянным ускорением α, тогда такое движение можно описать следующей формулой:
θ = ω 0 *t + α*t 2 /2
Это равенство получается при интегрировании по времени уравнений угловой скорости. Формула для θ позволяет рассчитать число оборотов, которое сделает система вокруг оси вращения за время t.
Линейная и угловая скорости
Обе скорости друг с другом связаны. Когда говорят о скорости вращения вокруг оси, то могут иметь в виду как линейную, так и угловую характеристику.
Предположим, что некоторая материальная точка вращается вокруг оси на расстоянии r со скоростью ω. Тогда ее линейная скорость v будет равна:
Разница между линейной и угловой скоростью является существенной. Так, ω при равномерном вращении от расстояния до оси не зависит, величина же v линейно возрастает с увеличением r. Последний факт объясняет, почему при увеличении радиуса вращения сложнее удерживать тело на круговой траектории (увеличивается его линейная скорость и, как следствие, инерционные силы).
Задача на вычисление скорости вращения вокруг своей оси Земли
Каждый знает, что наша планета в Солнечной системе совершает два вида вращательного движения:
- вокруг своей оси;
- вокруг звезды.
Вычислим скорости ω и v для первого из них.
Угловую скорость определить не сложно. Для этого вспомним, что полный оборот, равный 2*pi радиан, планета совершает за 24 часа (точное значение 23 ч 56 мин. 4,1 сек.). Тогда значение ω будет равно:
ω = 2*pi/(24*3600) = 7,27*10 -5 рад/с
Рассчитанное значение является небольшим. Покажем теперь, как сильно абсолютная величина ω отличается от таковой для v.
Рассчитаем линейную скорость v для точек, лежащих на поверхности планеты, на широте экватора. Поскольку Земля является сплюснутым шаром, то экваториальный радиус немного больше полярного. Он составляет 6378 км. Пользуясь формулой связи двух скоростей, получаем:
v = ω*r = 7,27*10 -5 *6378000 ≈ 464 м/с
Полученная скорость равна 1670 км/ч, что больше скорости звука в воздухе (1235 км/ч).
Вращение Земли вокруг своей оси приводит к появлению так называемой кориолисовой силы, которую следует учитывать при полете баллистических ракет. Также она является причиной многих атмосферных явлений, например отклонения направления ветров пассатов к западу.
Еще в глубокой древности, наблюдая звездное небо, люди заметили, что днем солнце, а на ночном небе - почти все звезды - время от времени повторяют свой путь. Это наводило на мысль о том, что для этого явления есть две причины. Или происходит на фоне неподвижного звездного неба, или же небо вращается вокруг Земли. Клавдий Птолемей, выдающийся древнегреческий астроном, ученый и географ, как будто решил этот вопрос, убедив всех, что вращаются Солнце и небо вокруг неподвижной Земли. Несмотря на то, что не могла объяснить многих с этим смирились.
Гелиоцентрическая же система, основанная на другой версии, завоевывала свое признание в долгой и драматичной борьбе. Погиб на костре Джордано Бруно, престарелый Галилей признал «правоту» инквизиции, но «...все-таки она вертится!»
Сегодня вращение Земли вокруг Солнца считается вполне доказанным. В частности, движение нашей планеты по околосолнечной орбите доказывается аберрацией звездного света и параллактическим смещением с периодичностью, равной одному году. Сегодня установлено, что направление вращения Земли, точнее, ее барицентра, по орбите совпадает с направлением ее вращения вокруг оси, то есть происходит с запада на восток.
Имеется множество фактов, говорящих о том, что Земля движется в пространстве по очень сложной орбите. Вращение Земли вокруг Солнца сопровождается ее движением вокруг оси, прецессией, нутационными колебаниями и стремительным полетом вместе с Солнцем по спирали в пределах Галактики, которая также не стоит на месте.
Вращение Земли вокруг Солнца, как и других планет, проходит по эллиптической орбите. Поэтому однажды в год, 3 января, Земля находится максимально близко от Солнца и один раз, 5 июля, удаляется от него на самое большое расстояние. Разница между перигелием (147 млн. км) и афелием (152 млн. км), по сравнению с расстоянием от Солнца до Земли, очень мала.
Двигаясь по околосолнечной орбите, наша планета делает 30 км за секунду, и оборот Земли вокруг Солнца завершается в течение 365 д. 6 ч. Это - так называемый сидерический, или звездный, год. Для практического удобства принято считать 365 дней в году. «Добавочные» 6 часов за 4 года в сумме дают 24 часа, то есть еще одни сутки. Эти-то (набежавшие, лишние) сутки и прибавляют к февралю раз в 4 года. Поэтому в нашем календаре 3 года включают 365 дней, а високосный - четвертый год, содержит 366 дней.
Ось собственного вращения Земли расположена под наклоном к орбитальной плоскости в 66,5°. В связи с этим в течение года лучи солнца падают на каждую точку земной поверхности под ин
ыми углами. Таким образом, в разные времена года точки на разных получают в одно и то же время неодинаковое количество света и тепла. Из-за этого в умеренных широтах времена года имеют резко выраженный характер. В то же время в течение всего года солнечные лучи на экваторе падают на землю под одинаковым углом, поэтому и времена года там незначительно отличаются друг от друга.