Согласно Закону всемирного тяготения Ньютона, все материальные объекты притягиваются друг к другу, с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Ну, особо не вдумывайтесь. Я знаю, как вы это делать не любите. Далее я все подробненько объясню! Итак, учтите, что когда вы подпрыгиваете, Земля притягивает вас обратно, тоже происходит и с Землей, вы тоже к себе ее притягиваете. Но этого не заметно, потому как ваша масса ничтожно мала по сравнению с массой земной!
Теперь давайте все уберем: воздух, Солнце, cпутники, прочие системы и объекты вселенной. Оставим только экспериментальные Луну и Землю!


Вы думаете, что в такой идеальной системе, Луна таки столкнется с Землей?
Ну в принципе, так и должно произойти, опираясь на вышеприведенный закон, Земля должна притянуть к себе Луну, Луна притянуть к себе Землю, и они объединятся в одно нечто! Но этого не происходит! Что-то мешает! Теперь добавим в нашу систему меня! Ну и еще, для наглядности дадим мне в руку камень! (так надо)


Заметьте, что я уже нахожусь на Земле, меня притянуло и никак не отцепиться от нее! А камень в моей руке все еще тянется к Земле, но я ему не даю притянуться... Злорадствую над Землей.
Итак, эксперимент:
Я запускаю камень со всей силы вдоль поверхности Земли!


Он пролетает какое-то расстояние и улетел бы, с радостью, в другую солнечную систему, если бы коварная Земля не начала его притягивать. Он не смог сопротивляться этому закону всемирного тяготения. От которого еще Ньютон пострадал. Наверняка яблоко ему неплохую шишку-то набило! Чтоб его...
Теперь этот камень я запускаю с еще большей силой... Ну, короче, со всей силой как запулил!


Он облетел чуть ли не большую половину Земли. Но все равно Земля оказалась сильнее и таки притянула его!
И что же вы думаете...
На этом я не успокоюсь, теперь камень я запустил со скоростью почти 8000 м/c.
Летит себе камень и думает: "Наконец я удаляюсь от этой здоровенной планеты... Или нет? ... АААААААА Она опять меня к себе притягивает...!"


Не успел я оглянуться, как мой камень летит ко мне в затылок... А если пригнусь? ... Очевидно, что полетит дальше на следующий виток!
Осталось только придать камню вторую космическую и увидим...


...Как камень покинет орбиту а возможно, и солнечную систему, если никто, конечно, другой его не притянет!
Вот так-то!
Солнце оказывается здесь и ни при чем! А Луна - это тот же камень, и если её притормозить, она непременно упадет на Землю!

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 ...................................................................................... 7

Глава 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.

Ученик . Широко известен рассказ о том, что на открытие закона всемирного тяготения Ньютона навело падение яблока с дерева. Насколько достоверен этот рассказ, мы не знаем, но остается фактом, что вопрос, который мы собрались сегодня обсудить: «Почему Луна не падает на Землю?», интересовал Ньютона и привел его к открытию закона тяготения. Ньютон утверждал, что между Землей и всеми материальными телами существует сила тяготения, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния.

Ньютон рассчитал ускорение, сообщаемое Луне Землей. Ускорение свободно падающих тел у поверхности Земли равно g=9,8 м/с 2 . Луна удалена от Земли на расстояние, равное примерно 60 земным радиусам. Следовательно, рассуждал Ньютон, ускорение на этом расстоянии будет: . 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 (рис. 25).

Двигаясь по инерции, Луна должна удалиться от Земли, как показывает расчет, 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.

Проведем опыт, из которого видно, как сила притяжения, действующая на тело под прямым углом к направлению его движения, превращает прямолинейное движение в криволинейное. Шарик, скатившись с наклонного желоба, по инерции продолжает двигаться по прямой линии. Если же сбоку положить магнит, то под действием силы притяжения к магниту траектория шарика искривляется (рис. 26).

Луна обращается вокруг Земли, удерживаемая силой притяжения. Стальной канат, который мог бы удержать Луну на орбите, должен был бы иметь диаметр около 600 км. Но, несмотря на такую огромную силу притяжения, Луна не падает на Землю, потому что, имея начальную скорость, движется по инерции.

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.
Прекратись действие силы притяжения Луны к Земле – и Луна по прямой линии умчится в бездну космического пространства. Так в устройстве, показанном на рисунке 27, улетит по касательной шарик, если разорвется нить, удерживающая шарик на окружности. В известном вам приборе на центробежной машине (рис. 28) только связь (нитка) удерживает шарики на круговой орбите.

При разрыве нити шарики разбегаются по касательным. Глазом трудно уловить их прямолинейное движение, когда они лишены связи, но если мы сделаем чертеж (рис. 29), то будет видно, что шарики двигаются прямолинейно, по касательной к окружности.

Прекратись движение по инерции – и Луна упала бы на Землю. Падение продолжалось бы четверо суток девятнадцать часов пятьдесят четыре минуты пятьдесят семь секунд, так рассчитал Ньютон.

Учитель , присутствующий на занятии кружка. Доклад окончен. У кого есть вопросы?

Вопрос . С какой силой Земля притягивает Луну?

Ученик . Это можно определить по формуле, выражающей закон тяготения: , где G – гравитационная постоянная, M и m – массы Земли и Луны, r – расстояние между ними. Я ожидал этого вопроса и сделал вычисление заранее. Земля притягивает Луну с силой около 2 * 10 20 Н.

Вопрос . Закон всемирного тяготения применим ко всем телам, значит, и Солнце тоже притягивает Луну. Интересно, с какой силой?

Ответ . Масса Солнца в 300000 раз больше массы Земли, но расстояние между Солнцем и Луной больше расстояния между Землей и Луной в 400 раз. Следовательно, в формуле числитель увеличится в 300000 раз, а знаменатель – в 400 2 , или 160000 раз. Сила тяготения получится почти в два раза больше.

Вопрос . Почему же Луна не падает на Солнце?

Ответ . Луна падает на Солнце так же, как и на Землю, т. е. лишь на столько, чтобы оставаться примерно на одном расстоянии, обращаясь вокруг Солнца.

– Вокруг Земли!

– Неверно, не вокруг Земли, а вокруг Солнца. Вокруг Солнца обращается Земля вместе со своим спутником – Луной, значит, и Луна обращается вокруг Солнца.

Вопрос . Луна не падает на Землю, потому что, имея начальную скорость, движется по инерции. Но по третьему закону Ньютона силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположно направлены. Поэтому, с какой силой Земля притягивает к себе Луну, с такой же силой Луна притягивает Землю. Почему же Земля не падает на Луну? Или она обращается вокруг Луны?

Учитель . Дело в том, что и Луна, и Земля обращаются вокруг общего центра масс. Вспомните опыт с шариками и центробежной машиной. Масса одного из шариков в два раза больше массы другого. Чтобы шарики, связанные ниткой, при вращении оставались в равновесии относительно оси вращения, их расстояния от оси, или центра вращения, должны быть обратно пропорциональны массам. Точка, вокруг которой обращаются эти шарики, называется центром масс двух шариков.

Третий закон Ньютона в опыте с шариками не нару|лается: силы, с которыми шарики тянут друг друга к общему центру масс, равны. Общий центр масс Земли и Луны обращается вокруг Солнца.

Вопрос . Можно ли силу, с которой Земля притягивает Луну, назвать весом Луны?

Ученик . Нет, нельзя! Весом тела мы называем вызванную притяжением Земли силу, с которой тело давит на какую-нибудь опору, чашку весов например, или растягивает пружину динамометра. Если подложить под Луну (со стороны, обращенной к Земле) подставку, то Луна на нее не будет давить. Не будет Луна растягивать и пружину динамометра, если бы мы смогли ее подвесить. Все действие силы притяжения Луны Землей выражается лишь в удержании Луны на орбите, в сообщении ей центростремительного ускорения. Про Луну можно сказать, что по отношению к Земле она невесома так же, как невесомы предметы в космическом корабле-спутнике, когда прекращается работа двигателя и на корабль действует только сила притяжения к Земле.

Вопрос . Где находится центр масс системы Земля – Луна?

Ответ . Расстояние от Земли до Луны составляет 384000 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 384000 км на 82, 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 (рис. 30, точка O). Поэтому, если не гнаться за точностью, можно говорить об обращении Луны вокруг Земли.

Вопрос . Что легче: улететь с Земли на Луну или с Луны на Землю?

Ответ . Чтобы ракета стала искусственным спутником Земли, ей надо сообщить начальную скорость, приблизительно равную 8 км/с. Чтобы ракета вышла из сферы притяжения Земли, нужна так называемая вторая космическая скорость, равная 11,2 км/с. Для запуска ракет с Луны нужна меньшая скорость: ведь сила тяжести на Луне в шесть раз меньше, чем на Земле.

Вопрос . Я плохо понимаю, почему внутри ракеты тела не имеют веса. Может быть, это только в той точке на пути к Луне, в которой сила притяжения к Луне уравновешивается силой притяжения к Земле?

Учитель . Нет. Тела внутри ракеты становятся невесомыми с того момента, когда прекращают работу двигатели и ракета начинает свободный полет по орбите вокруг Земли, находясь при этом в поле тяготения Земли. При свободном полете вокруг Земли и спутник, и все предметы в нем относительно центра массы Земли движутся с одинаковым центростремительным ускорением и потому невесомы.

1-й вопрос . Как двигались не связанные ниткой шарики на центробежной машине: по радиусу или по касательной к окружности?

Ответ зависит от выбора системы отсчета, т. е. от выбора того тела, относительно которого мы рассматриваем движение шариков. Если за систему отсчета принять поверхность стола, то шарики двигались по касательным к описываемым ими окружностям. Если же принять за систему отсчета сам вращающийся прибор, то шарики двигались по радиусу. Без указания системы отсчета вопрос о характере движения не имеет смысла. Двигаться – значит перемещаться относительно других тел, и мы должны обязательно указывать, относительно каких именно.

2-й вопрос . Вокруг чего обращается Луна?

Если рассматривать движение относительно Земли, то Луна обращается вокруг Земли. Если же за тело отсчета принять Солнце, то – вокруг Солнца. Поясню сказанное рисунком из книги «Занимательная астрономия» Перельмана (рис. 31). Скажите, относительно какого тела показано здесь движение небесных тел.

– Относительно Солнца.

– Верно. Но нетрудно заметить, что Луна все время меняет свое положение и относительно Земли.

Учитель . Конечно, не могут. При положении Земли или Луны (заметьте, я говорю «или», а не «и») в пункте пересечения показанных орбит расстояние между Землей и Луной составляет 380000 км. Чтобы лучше в этом разобраться, начертите к следующему занятию диаграмму этого сложного движения. Орбиту Земли изобразите в виде дуги окружности радиусом 15 см (расстояние от Земли до Солнца, как известно, равно 150000000 км). На дуге, равной 1/12 части окружности (месячный путь Земли), отметьте на равных расстояниях пять точек, считая и крайние. Эти точки будут центрами лунных орбит относительно Земли в последовательные четверти месяца. Радиус лунных орбит нельзя изобразить в том же масштабе, в каком вычерчена орбита Земли, так как он будет слишком мал. Чтобы начертить лунные орбиты, надо выбранный масштаб увеличить примерно в десять раз, тогда радиус лунной орбиты составит около 4 мм. Укажите на каждой орбите положение Луны, начав с полнолуния, и соедините отмеченные точки плавной пунктирной линией.

На следующем занятии кружка одна из учениц показала требуемую диаграмму (рис. 32).

Рассказ ученицы, чертившей диаграмму: «Я многому научилась, пока рисовала эту диаграмму. Надо было правильно определить положение Луны в ее фазах, подумать о направлении движения Луны и Земли по их орбитам. В чертеже есть неточности. О них я сейчас скажу. При выбранном масштабе неправильно изображена кривизна лунной орбиты. Она должна быть все время вогнута по отношению к Солнцу, т. е. центр кривизны должен находиться внутри орбиты. Кроме того, в году не 12 лунных месяцев, а больше. Но одну двенадцатую часть окружности легко построить, поэтому я условно приняла, что в году 12 лунных месяцев. И наконец, вокруг Солнца обращается не сама Земля, а общий центр масс системы Земля – Луна».

Почему Луна не падает на Солнце?

Луна падает на Солнце так же, как и на Землю, т. е. лишь настолько, чтобы оставаться примерно на одном расстоя-нии, обращаясь вокруг Солнца.

Вокруг Солнца обращается Земля вместе со своим спутником -- Луной, зна-чит, и Луна обращается вокруг Солнца.

Возникает такой вопрос: Луна не падает на Землю, потому что, имея на-чальную скорость, движется по инерции. Но по третьему закону Ньютона силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по величине и противопо-ложно направ-лены. Поэтому, с какой силой Земля притягивает к себе Луну, с такой же си-лой Луна притягивает Землю. Почему же Земля не падает на Луну? Или она тоже обращается вокруг Луны?

Дело в том, что и Луна, и Земля обращаются во-круг общего цен-тра масс, или, упрощая, можно сказать, вокруг общего центра тяжести. Вспом-ните опыт с ша-риками и центро-бежной машиной. Масса одного из шариков в два раза больше массы другого. Чтобы шарики, связанные ниткой, при вращ-е-нии остава-лись в равновесии относительно оси вращения, их расстоя-ния от оси, или центра вра-щения, должны быть обратно пропор-циональны массам. Точка, или центр, во-круг которого обраща-ются эти шарики, называется цен-тром масс двух ша-ри-ков.

Третий закон Ньютона в опыте с шариками не нарушается: силы, с кото-рыми шарики тянут друг друга к общему центру масс, равны. В системе Земля -- Луна общий центр масс обра-щается вокруг Солнца.

Можно ли силу, с которой Земля притягивает Лу-ну, назвать ве-сом Луны?

Нет, нельзя. Ве-сом тела мы назы-ваем вызванную притяжением Земли силу, с которой тело давит на какую-ни-будь опору: чашку весов, напри-мер, или растя-гивает пружину динамометра. Если подложить под Луну (со стороны, обра-щенной к Земле) подставку, то Луна на нее не будет давить. Не будет Луна рас-тягивать и пружину динамо-метра, если бы смогли ее подвесить. Все действие силы притяжения Луны Зем-лей выражается лишь в удержании Луны на ор-бите, в сообщении ей центро-стремительного ускорения. Про Луну можно сказать, что по отношению к Земле она неве-сома так же, как невесомы пред-меты в космическом корабле-спутнике, когда прекращается работа двигателя и на корабль действует только сила притяжения к Земле, но эту силу нельзя назы-вать весом. Все предметы, выпускаемые космонавтами из рук (авторучка, блокнот), не падают, а сво-бодно парят внутри кабины. Все тела, находящиеся на Луне, по отношению к Луне, конечно, весомы и упадут на ее поверхность, если не будут чем-нибудь удержи-ваться, но по от-ношению к Земле эти тела бу-дут невесомы и упасть на Землю не могут.

Есть ли центробежная сила в сис-теме Земля -- Луна, на что она дейст-вует?

В системе Земля -- Луна силы взаимного притяже-ния Земли и Луны равны и противоположно направлены, а именно к центру масс. Обе эти силы центрост-ремительные. Центробежной силы здесь нет.

Расстояние от Земли до Луны равно примерно 384 000 км. От-ношение массы Луны к массе Земли равно 1/81. Следовательно, расстояния от центра масс до центров Луны и Земли будут обратно пропорциональны этим числам. Разделив 384 000 км на 81, получим примерно 4 700 км. Значит, центр масс находится на расстоянии 4 700 км от центра Земли.

Радиус Земли равен 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.

Легче улететь с Земли на Луну или с Луны на Землю, т.к. известно, для того чтобы ракета стала искусствен-ным спутником Земли, ей надо сообщить начальную скорость? 8 км/сек . Чтобы ракета вышла из сферы притяжения Земли, нужна так называемая вторая космическая скорость, равная 11,2 км/сек. Для запуска ракет с Луны нужна меньшая скорость т.к. сила тяже-сти на Луне в шесть раз меньше, чем на Земле.

Тела внутри ракеты становятся невесомыми с того момента, ко-гда прекра-щают работу двигатели и ракета будет свободно лететь по орбите во-круг Земли, находясь при этом в поле тяготения Земли. При свободном по-лете вокруг Земли и спутник, и все предметы в нем относительно центра массы Земли движутся с одинаковым центростремительным ускорением и по-тому не-весомы.

Как двигались не связанные ниткой шарики на центробежной машине: по ра-диусу или по касательной к окруж-ности? Ответ зависит от выбора системы от-счета, т. е. относитель-но какого тела отсчета мы будем рассматривать движение шари-ков. Если за систему отсчета принять поверхность стола, то шарики двигались по касательным к описываемым ими окруж-ностям. Если же принять за систему отсчета сам вращающийся прибор, то шарики двигались по радиусу. Без указания системы отсчета вопрос о движении вообще не имеет смысла. Дви-гаться -- значит перемещаться относительно других тел, и мы должны обя-за-тельно указать, относительно каких именно.