Что такое орбитальное движение
Как Земля движется в космосе? Теперь мы знаем это во всех масштабах
Спросите у учёного наш космический адрес, и вы получите довольно полный ответ. Мы находимся на планете Земля, которая вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца. Солнце вращается по траектории эллипса вокруг центра Млечного Пути, который внутри нашей Местной группы тянется в сторону Андромеды; Местная группа, в свою очередь, движется внутри нашего космического Сверхскопления Ланиакея, галактическими группами, кластерами и космическими пустотами, а они лежат в войде KBC, посреди структуры Вселенной в широком масштабе. После десятилетий исследований наука наконец-то собрала полную картину этого движения и может точно определить скорость нашего движения в космосе в любом масштабе.
В пределах Солнечной системы вращение Земли играет важную роль в формировании экваториального утолщения, в смене дня и ночи, а также помогает питать защищающее нас от космических лучей и солнечного ветра магнитное поле.
Скорее всего, читая это, вы воспринимаете себя неподвижными. Тем не менее мы знаем, что в космическом масштабе мы движемся. Во-первых, Земля вращается вокруг своей оси и несёт нас сквозь космос со скоростью почти 1700 км/ч относительно кого-то на экваторе. Это число может показаться большим, но по сравнению с другими скоростями нашего движения во Вселенной эта скорость едва заметна. На самом деле в километрах в секунду это не так быстро. Вращаясь вокруг своей оси, Земля сообщает нам скорость всего 0,5 км/с, или менее 0,001 % скорости света. Но есть другие перемещения, и они [в смысле скорости] важнее.
Скорость, с которой планеты вращаются вокруг Солнца, намного превышает скорость вращения любой из них вокруг своей оси, это касается даже самых быстрых планет — Юпитера и Сатурна.
Как и все планеты нашей Солнечной системы, Земля движется по орбите Солнца гораздо быстрее скорости вращения вокруг своей оси. Чтобы удержаться на стабильной орбите, мы должны двигаться вправо и со скоростью около 30 км/с. Внутренние планеты — Меркурий и Венера — движутся быстрее, а внешние (вроде Марса и планет за ним) — медленнее. Вращаясь в плоскости Солнечной системы, планеты непрерывно меняют направление своего движения, и Земля возвращается в свою исходную точку через 365 дней. Ну хорошо, почти в исходную точку.
Точная модель движения планет по орбите Солнца, которое движется по Галактике в другом направлении.
Даже Солнце само по себе не статично. Млечный Путь огромен, массивен, и, самое важное, он движется. Все звёзды, планеты, газовые облака, крупицы пыли, чёрные дыры, тёмная материя и многое движутся внутри Млечного Пути и вносят свой вклад в гравитационную сеть. С нашей точки зрения, а мы находимся в около 25 000 световых лет от центра Галактики, Солнце вращается по эллипсу и совершает полный оборот каждые 220–250 миллионов лет или около того.
Предполагается, что скорость нашего Солнца на этой траектории составляет 200–220 км/с, это довольно много по сравнению как со скоростью вращения Земли, так и со скоростью вращения нашей планеты вокруг Солнца, тогда как оба вращения наклонены относительно плоскости движения нашей звезды вокруг Галактики.
Хотя орбиты Солнца в плоскости Млечного Пути находятся на расстоянии около 25000–27000 световых лет от центра, орбитальные направления планет нашей Солнечной системы совсем не выровнены относительно Галактики.
Но сама Галактика не стационарна, она движется из-за гравитационного притяжения всех сгустков сверхплотной материи и, в равной степени, из-за отсутствия гравитационного притяжения от областей с плотностью ниже средней. Внутри нашей Местной группы мы можем измерить нашу скорость в направлении к самой большой, массивной галактики на нашем космическом заднем дворе: Андромеде. Похоже, что оно движется к нашему Солнцу со скоростью 301 км/с, а это означает (учитывая движение Солнца по Млечному Пути), что две самые массивные галактики Местной группы, Андромеда и Млечный Путь, движутся навстречу друг другу со скоростью примерно 109 км/с.
Самая большая галактика в Местной группе, Андромеда, кажется маленькой и незначительной рядом с Млечным Путём, но это из-за её расстояния, составляющего около двух с половиной миллионов световых лет. В настоящий момент она движется к нашему Солнцу со скоростью около 300 км/с.
Местная группа, как бы массивна она ни была, изолирована не полностью. Другие галактики и скопления галактик поблизости притягивают нас, и даже более отдалённые сгустки материи оказывают гравитационное воздействие на Землю. Основываясь на том, что мы можем увидеть, измерить и вычислить, эти структуры, по-видимому, – причина дополнительной скорости примерно в 300 км/с, но в несколько ином направлении, чем другие скорости, вместе взятые. И это объясняет часть движения во Вселенной в крупном масштабе, но не всё движение. Кроме того, существует ещё один важный эффект, который был количественно рассчитан только недавно, — гравитационное отталкивание космических пустот.
Различные галактики Сверхскопления Девы, кластеризованные и сгруппированные вместе. В самых больших масштабах Вселенная однородна, но если вы посмотрите на неё в масштабе галактик или скоплений, то окажется, что преобладают сверхплотные области и области с плотностью ниже средней.
Для каждого атома или частицы материи во Вселенной, которые собираются в сверхплотной области, существует область некогда средней плотности, потерявшая соответствующее количество массы. Точно так же, как область плотнее средней притягивает, область, плотность которой ниже средней, будет притягивать с силой ниже средней.
Если взять большую область пространства с меньшим, чем в среднем, количеством материи, на практике её сила будет отталкивать, а плотность выше средней, напротив, — притягивать. В нашей Вселенной в направлении, противоположном от ближайшей области сверхплотности, пролегает огромная пустота с плотностью ниже средней. Мы находимся между этими двумя областями, поэтому силы притяжения и отталкивания складываются, причём каждая из них вносит в скорость примерно 300 км/с, то есть общая скорость приближается к 600 км/с.
Гравитационное притяжение (синим цветом) сверхплотных областей и относительное отталкивание (красным цветом) областей с плотностью ниже средней, когда они действуют на Млечный Путь.
Сложив все эти движения вместе: вращение Земли вокруг своей оси, её вращение вокруг Солнца, движение Солнца по Галактике, которая направляется к Туманности Андромеды, движение Местной группы, притягиваемой к области сверхплотности и отталкиваемой от областей с плотностью ниже средней, мы получим число, указывающее, как быстро на самом деле мы движемся во Вселенной, в любой момент времени.
Мы обнаружили, что Земля движется со скоростью 360 км/с в каком-то определённом направлении плюс-минус около 30 км/ч в зависимости от времени года и направления. Выводы о скорости Земли подтверждены реликтовым излучением, которое в направлении движения планеты проявляется лучше, а в противоположном направлении — ослабевает.
Остаточное свечение от Большого взрыва на 3,36 милликельвина горячее средней температуры в одном направлении (красном) и на 3,36 милликельвина холоднее средней температуры в другом направлении (синем). Это происходит благодаря движению в пространстве в целом.
Если проигнорировать движение Земли, мы обнаружим, что Солнце относительно реликтового излучения движется со скоростью 368 ± 2 километра, затем, если пренебречь движением Местной группы, получится, что Млечный Путь, Андромеда, Галактика Треугольника и все остальные относительно реликтового излучения движутся со скоростью 622 ± 22 км. Эта большая неопределённость, кстати, в основном связана с неопределённостью в движении Солнца вокруг центра Галактики, это самый трудный в смысле измерения компонент.
Относительные притягивающие и отталкивающие эффекты сверхплотных и недостаточно плотных областей Млечного Пути, комбинация которых известна как Дипольный отталкиватель.
Возможно, не существует универсальной системы отсчёта, но есть система, измерения в которой полезны: полезен отсчёт от покоя реликтового излучения, также эта точка отсчёта совпадает с системой отсчёта удаления галактик друг от друга по закону Хаббла. У каждой видимой галактики есть то, что мы называем «пекулярной скоростью» (или скоростью, превышающей скорость, с которой галактики удаляются друг от друга согласно закону Хаббла), — от нескольких сотен до нескольких тысяч км/с, и то, что мы видим, в точности соответствует этому. Пекулярная скорость движения нашего Солнца — 368 км/с, а нашей Местной группы — 627 км/с — прекрасно согласуется с нашим пониманием того, как в пространстве движутся все галактики. Благодаря эффекту дипольного отталкивания теперь мы понимаем, как происходит это движение, во всех масштабах.
В постижении тайн космоса людям точно не обойтись без помощников и именно таким компаньоном может для нас стать искусственный интеллект. Если AI изначально создали для облегчения жизни на Земле, почему бы с его помощью не исследовать космос? Многие компании, включая NASA и Google, уже внедрили ИИ для поиска новых небесных тел и жизни на других планетах и всегда будут рады специалистам в области AI и нейронных сетей. Работать с которыми мы учим на курсах по Machine Learning и его расширенном варианте «Machine Learning и Deep Learning».
На Земле тоже много работы. Узнайте, как прокачаться в других крутых инженерных специальностях или освоить их с нуля:
Движение Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси
Движение Земли: Freepick
Движение Земли вокруг Солнца непрерывно. Благодаря этому постоянному вращению наблюдаем, как меняются на нашей планете времена года. Облетая вокруг небесного светила, Земля еще успевает совершать движение вокруг оси — так сменяются день и ночь. Почему не ощущаем этого движения и как все это происходит? Попробуем отыскать ответы.
Движение Земли вокруг Солнца
Ученые древности сформулировали идею геоцентричности мира. Считалось, что наша планета — недвижимый центр, а все небесные тела совершают вращение вокруг нее.
Первым мысль о том, что Земля вращается вокруг Солнца, высказал великий астроном Аристарх Самосский в III веке до н. э. Он предложил революционную на тот момент гелиоцентрическую систему мира.
Идею поддержали вавилонянин Селевк (II век до н. э.), Гераклид Понтийский, Сенека. Но все же эти ученые оставались в меньшинстве. Так, Аристотель и Птолемей активно доказывали обратное, а в их работах можно прочесть много аргументов в пользу того, что никакого движения Земли не происходит.
Вопросом продолжили заниматься средневековые авторы. Вновь гипотеза о вращении Земли была сформулирована великим индийским астрономом и математиком Ариабхатой (конец V — начало VI вв.).
Поворотным моментом в этой дискуссии стала публикация фундаментального труда «О вращениях небесных сфер», который написал и издал в 1543 году польский и немецкий астроном Николай Коперник. Ему удалось обосновать гипотезу вращения Земли и добиться того, чтобы гелиоцентрическая система мира была рассмотрена и принята человечеством.
Понадобилось еще много экспериментов для подтверждения выводов ученого. Много было скептиков и противников этой идеи.
Только когда Галилей вывел принцип относительности движения, споры начали утихать. Он установил, что равномерное движение Земли не сказывается на процессах, которые на ней протекают. Ученый объяснил, почему мы, жители планеты, ничего не ощущаем во время ее постоянного движения.
Земля в Космосе: Freepick
Для современного человека то, что Земля вращается вокруг Солнца, не сенсация. Исследователи установили такие подробности этого процесса:
Когда наша планета совершает это вращение, то ее угол наклона остается неизменным. По этой причине на определенном отрезке траектории Земля больше поворачивается к светилу нижней частью, в Южном полушарии наступает летний сезон.
В это же время на Северный полюс солнечные лучи попадают в гораздо меньшей степени — там наступает период зимних холодов. Есть и периоды, когда Солнце более-менее равномерно бросает лучи на оба полушария. Происходит это весной и осенью.
Итак, разобрались, с какой скоростью движется Земля вокруг Солнца, и в том, что такое орбита Земли. Но на этом особенности движения Земли не заканчиваются.
Движение Земли вокруг своей оси
Если между Северным и Южным полюсами нашей планеты провести воображаемую линию, то получится так называемая земная ось. Вокруг нее постоянно происходит вращение, о котором известно:
Последний факт мало известен, но вызывает интерес. Наглядно его можно продемонстрировать так:
Земля и Солнце в Космосе: Freepick
Этого вращательного движения люди не ощущают, так как оно осуществляется постоянно и равномерно. При этом еще и меняется. Ученые установили, что каждый год происходит замедление вращения в среднем на четыре миллисекунды.
Объясняют это явление притяжением Луны, которое оказывает воздействие на протекание приливов и отливов на планете. Когда они происходят, Луна старается притянуть к себе воду и двигает ее в направлении, которое противоположно ходу Земли.
Это своеобразное противодействие провоцирует возникновение незначительной силы трения на дне водоемов. По законам физики данный процесс приводит к небольшому замедлению скорости движения Земли.
Крайние точки в процессе вращения нашей планеты — это такие даты:
Почему же Земля не улетает в космические просторы и не падает на Солнце, если она постоянно находится в движении? Действительно, во время ее вращения происходит выработка центробежной силы, которая направлена на то, чтобы отбросить планету от Солнца.
Но это не происходит, потому что движение Земли всегда имеет одинаковую скорость, а безопасное расстояние до светила соотносится с центробежной силой.
Если бы Солнце не притягивало Землю, она бы отправилась «путешествовать» по Галактике. Наша планета упала бы на свою звезду, если бы скорость вращения на орбите была медленнее. Благодаря идеальному природному балансу всех этих сил и скоростей ни того, ни другого не происходит.
Движение Земли вокруг Солнца подчиняется целому ряду законов, которые человечество разгадывало в течение веков. Люди долго пытались найти иные объяснения смене дня и ночи и времен года. Но теперь точно установлено, что наша планета вращается, а мы движемся вместе с ней.
Уникальная подборка новостей от нашего шеф-редактора
Орбита – это путь космического тела в пространстве. Этим понятием можно назвать путь любого объекта, но обычно под ним принято понимать траекторию движения тел, взаимодействующих друг с другом. Примером могут служить орбиты планет, спутников, звезд в системах.
Виды орбит
Орбиты делят на относительные и абсолютные.
Абсолютная орбита – это путь тела в установленной отсчетной системе, которую считают универсальной. Примером такой системы является Вселенная, взятая как единое целое.
Относительная орбита – это траектория тела в системе отсчета, которая движется по искривленной траектории с переменной скоростью. Например, при описании траектории искусственного спутника указывается его движение относительно планеты. В первом приближении – это эллиптическая траектория, в фокусе которой находится Земля, сама плоскость движения относительно звезд считается неподвижной. При таком варианте измерений, очевидно, что траектория движения – это орбита относительного типа, поскольку она определяется по отношению к Голубой планете, которая сама вращается вокруг Солнца. Если же посмотреть на траекторию движения относительно звезд, то наблюдается винтовая траектория – это абсолютная орбита искусственного спутника.
В чем различие
Зная, что такое орбита абсолютная и относительная, возникает вопрос об их различии. Знание этого помогает провести подсчеты траекторий по законам Ньютона. Они применимы только для подсчета абсолютных орбит, но нам привычнее наблюдать относительное движение.
Движение Солнца
Орбита Земли
Орбита нашей планеты представляет собой эллипс, в одном краю которого находится Солнце. Путь до Земли от Солнца на протяжении года изменяется, начиная от 147 млн км до 152 млн км. Орбита длинная, около 930 млн км. Наша планета двигается с запада на восток со скоростью примерно 30 км/с. Все расстояние она преодолевает за 365 дней 6 ч. 9 мин. и 9 с. Это время получило название звездного года.
Еще есть понятие тропического года, которое предполагает временное расстояние между определенными последовательными перемещениями Солнца через точку весеннего равноденствия. Этот временный промежуток равен 365 дням 5 ч. 48 мин. и 46 с.
Календарь
Для отсчета времени люди используют Григорианский календарь, подстроенный под длительность тропического года с небольшим отклонением. Поэтому даже через пятьдесят тысяч лет зима будет приходиться на зимние месяцы, а лето – на летние.
Сейчас земная ось располагается под углом 66.5 градусов к плоскости орбиты. Планета совершает движение на протяжении 365 дней параллельно самой себе в космическом пространстве. Следствием движения Земли вокруг светила является смена времен года и разная длина дня и ночи.
Наклон оси
Из-за наклона земной оси к орбитальной плоскости сохраняется расположение планеты в космическом пространстве. Это же влияет на разные углы падения солнечных лучей на поверхность Земли.
В день летнего солнцестояния ось планеты направлена северной частью к нашему светилу. В день зимнего солнцестояния она направлена к Солнцу южной областью.
Эллиптическая орбита
Учитывая продолжительность дня и ночи, моменты расположения Солнца в разных точках, ученые пришли к выводу, что наша планета движется не по кругу, а по эллиптической орбите. Впервые это описал Кеплер. Он же подсчитал, что Марс и Земля периодически ускоряются и замедляются. В результате проведенных наблюдений, подсчетов, он пришел к выводу, что движение планеты осуществляется не по круговой орбите, а по эллипсу.
Движение тел в космосе
Зная, что это – орбита, а также какой она может быть, ученые смогли описать траектории движения самых разных небесных тел. Кометы, спутники, планеты, звезды – большая часть их имеет вытянутую траекторию движения. К примеру, есть кометы, траектория движения у которых сильно вытянута, но может пересекать орбиту планеты. Если в определенный момент планета и комета будут на одной линии движения, то произойдет столкновение, или же гравитационная сила изменит орбиту кометы, сделав ее «пленницей» своей. По мнению ученых, так появились кольца из комет вокруг некоторых планет, а также спутники.
Орбита Солнца
Движение Солнца во Вселенной происходит по Галактической орбите. По отношению к звездам наше светило летит со скоростью 19 км/с в направлении к созвездию Геркулеса. Считается, что вокруг центра Галактики Солнце совершает полный круг за 230 млн лет. Движение звезды по орбите сложное, на траекторию постоянно воздействуют возмущения со стороны массивных космических тел, других звезд, межзвездный газ.
ОРБИТА
ОРБИТА, в астрономии, – путь небесного тела в пространстве. Хотя орбитой можно называть траекторию любого тела, обычно имеют в виду относительное движение взаимодействующих между собой тел: например, орбиты планет вокруг Солнца, спутников вокруг планеты или звезд в сложной звездной системе относительно общего центра масс. Искусственный спутник «выходит на орбиту», когда начинает двигаться по циклической траектории вокруг Земли или Солнца. Термин «орбита» используется также в атомной физике при описании электронных конфигураций. См. также АТОМ.
Абсолютные и относительные орбиты.
Абсолютной орбитой называют путь тела в системе отсчета, которую в каком-то смысле можно считать универсальной и потому абсолютной. Такой системой считают Вселенную в большом масштабе, взятую как целое, и называют ее «инерциальной системой». Относительной орбитой называют путь тела в такой системе отсчета, которая сама движется по абсолютной орбите (по искривленной траектории с переменной скоростью). Например, у орбиты искусственного спутника обычно указывают размер, форму и ориентацию относительно Земли. В первом приближении это эллипс, в фокусе которого находится Земля, а плоскость неподвижна относительно звезд. Очевидно, это относительная орбита, поскольку она определена по отношению к Земле, которая сама движется вокруг Солнца. Удаленный наблюдатель скажет, что спутник движется относительно звезд по сложной винтовой траектории; это его абсолютная орбита. Ясно, что форма орбиты зависит от движения системы отсчета наблюдателя.
Необходимость различать абсолютную и относительную орбиты возникает потому, что законы Ньютона верны только в инерциальной системе отсчета, поэтому их можно использовать только для абсолютных орбит. Однако мы всегда имеем дело с относительными орбитами небесных тел, ибо наблюдаем их движение с обращающейся вокруг Солнца и вращающейся Земли. Но если абсолютная орбита земного наблюдателя известна, то можно либо перевести все относительные орбиты в абсолютные, либо представить законы Ньютона уравнениями, верными в системе отсчета Земли.
Абсолютную и относительную орбиты можно проиллюстрировать на примере двойной звезды. Например, Сириус, кажущийся невооруженному глазу одиночной звездой, при наблюдении с большим телескопом оказывается парой звезд. Путь каждой из них можно проследить отдельно по отношению к соседним звездам (принимая во внимание, что и сами они движутся). Наблюдения показали, что две звезды не только обращаются одна вокруг другой, но и перемещаются в пространстве так, что между ними всегда есть точка, движущаяся по прямой линии с постоянной скоростью (рис. 1). Эту точку называют центром масс системы. Практически с ней связана инерциальная система отсчета, а траектории звезд относительно нее представляют их абсолютные орбиты. Чем дальше отходит звезда от центра масс, тем она легче. Знание абсолютных орбит позволило астрономам вычислить по отдельности массы Сириуса А и Сириуса В.
Если же измерять положение Сириуса В относительно Сириуса А, то получим относительную орбиту (рис. 2). Расстояние между этими двумя звездами всегда равно сумме их расстояний от центра масс, поэтому относительная орбита имеет ту же форму, что и абсолютные, а по размеру равна их сумме. Зная размер относительной орбиты и период обращения, можно, используя третий закон Кеплера, вычислить лишь суммарную массу звезд. См. также НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА.
Более сложный пример представляет движение Земли, Луны и Солнца. Каждое из этих тел движется по своей абсолютной орбите относительно общего центра масс. Но поскольку Солнце значительно превосходит всех по массе, принято изображать Луну и Землю в виде пары, центр масс которой движется по относительной эллиптической орбите вокруг Солнца. Однако эта относительная орбита весьма близка к абсолютной. См. также ЛУНА.
Движение Земли относительно центра масс системы Земля – Луна наиболее точно измеряется с помощью радиотелескопов, определяющих расстояние до межпланетных станций. В 1971 при полете аппарата «Маринер-9» к Марсу по периодическим вариациям расстояния до него определили амплитуду движения Земли с точностью 20–30 м. Центр масс системы Земля – Луна лежит внутри Земли, на 1700 км ниже ее поверхности, а отношение масс Земли и Луны составляет 81,3007. Зная их суммарную массу, найденную по параметрам относительной орбиты, можно легко найти и массу каждого из тел.
Говоря об относительном движении, мы можем произвольно выбирать точку отсчета: относительная орбита Земли вокруг Солнца в точности такова, как относительная орбита Солнца вокруг Земли. Проекцию этой орбиты на небесную сферу называют «эклиптикой». В течение года Солнце передвигается по эклиптике приблизительно на 1° в сутки, а если смотреть от Солнца, то так же точно движется Земля. Плоскость эклиптики наклонена к плоскости небесного экватора на 23°27ў, т.е. таков угол между земным экватором и ее орбитальной плоскостью. Все орбиты в Солнечной системе указывают относительно плоскости эклиптики.
Орбиты Луны и планет.
На примере Луны покажем, как описывается орбита (рис. 3). Это относительная орбита, плоскость которой наклонена примерно на 5° к эклиптике. Этот угол называют «наклонением» лунной орбиты. Плоскость лунной орбиты пересекает эклиптику по «линии узлов». Тот из них, где Луна проходит с юга на север, называют «восходящим узлом», а другой – «нисходящим».
Если бы Земля и Луна были изолированы от гравитационного влияния других тел, узлы лунной орбиты всегда имели бы неизменное положение на небе. Но из-за влияния Солнца на движение Луны происходит обратное движение узлов, т.е. они перемещаются по эклиптике на запад, совершая полный оборот за 18,6 лет. Подобно этому, узлы орбит искусственных спутников перемещаются из-за возмущающего влияния экваториального вздутия Земли.
Земля расположена не в центре лунной орбиты, а в одном из ее фокусов. Поэтому в некоторой точке орбиты Луна ближе всего к Земле; это «перигей». В противоположной точке она дальше всего от Земли; это «апогей». (Соответствующие термины для Солнца – «перигелий» и «афелий».) Полусумму расстояний в перигее и апогее называют средним расстоянием; оно равно половине наибольшего диаметра (большой оси) орбиты, поэтому его называют «большой полуосью». Перигей и апогей называют «апсидами», а соединяющую их линию – большую ось – «линией апсид». Если бы не возмущения от Солнца и планет, линия апсид имела бы фиксированное направление в пространстве. Но из-за возмущений линия апсид лунной орбиты движется к востоку с периодом 8,85 лет. То же происходит с линиями апсид искусственных спутников под влиянием экваториального вздутия Земли. У планет линии апсид (между перигелием и афелием) движутся вперед под влиянием других планет. См. также КОНИЧЕСКИЕ СЕЧЕНИЯ.
Размер орбиты определяется длиной большой полуоси, а ее форма – величиной, называемой «эксцентриситетом». Эксцентриситет лунной орбиты вычисляется по формуле:
(Расстояние в апогее – Среднее расстояние) / Среднее расстояние
(Среднее расстояние – Расстояние в перигее) / Среднее расстояние
Для планет апогей и перигей в этих формулах заменяют на афелий и перигелий. Эксцентриситет круговой орбиты равен нулю; у всех эллиптических орбит он меньше 1,0; у параболической орбиты он в точности равен 1,0; у гиперболических орбит он больше 1,0.
Орбита полностью определена, если указаны ее размер (среднее расстояние), форма (эксцентриситет), наклонение, положение восходящего узла и положение перигея (для Луны) или перигелия (для планет). Эти величины называют «элементами» орбиты. Элементы орбиты искусственного спутника задаются так же, как для Луны, но обычно по отношению не к эклиптике, а к плоскости земного экватора.
Луна обращается вокруг Земли за время, называемое «сидерическим периодом» (27,32 сут); по истечении его она возвращается на исходное место относительно звезд; это ее истинный орбитальный период. Но за это время Солнце перемещается по эклиптике, и Луне требуется еще двое суток, чтобы оказаться в исходной фазе, т.е. в прежнем положении относительно Солнца. Этот промежуток времени называют «синодическим периодом» Луны (ок. 29,5 сут). Так же и планеты обращаются вокруг Солнца за сидерический период, а проходят полный цикл конфигураций – от «вечерней звезды» до «утренней звезды» и обратно – за синодический период. Некоторые элементы орбит планет указаны в таблице. См. также СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА.
Орбитальная скорость.
Среднее расстояние спутника от главного компонента определяется его скоростью на некотором фиксированном расстоянии. Например, Земля обращается по почти круговой орбите на расстоянии 1 а.е. (астрономическая единица) от Солнца со скоростью 29,8 км/с; любое другое тело, имеющее на этом же расстоянии такую же скорость, будет также двигаться по орбите со средним расстоянием от Солнца 1 а.е., независимо от формы этой орбиты и направления движения по ней. Таким образом, для тела в заданной точке размер орбиты зависит от значения скорости, а ее форма – от направления скорости (рис. 4).
Это имеет непосредственное отношение к орбитам искусственных спутников. Чтобы вывести спутник на заданную орбиту, необходимо доставить его на определенную высоту над Землей и сообщить ему определенную скорость в определенном направлении. Причем сделать это нужно с высокой точностью. Если требуется, например, чтобы орбита проходила на высоте 320 км и не отклонялась от нее более чем на 30 км, то на высоте 310–330 км его скорость не должна отличаться от расчетной (7,72 км/с) более чем на 5 м/с, а направление скорости должно быть параллельно земной поверхности с точностью 0,08°.
Сказанное выше имеет отношение и к кометам. Обычно они движутся по очень вытянутым орбитам, эксцентриситеты которых нередко достигают 0,99. И хотя их средние расстояния и орбитальные периоды очень велики, в перигелии они могут приближаться к большим планетам, например к Юпитеру. В зависимости от направления, с которого комета подлетает к Юпитеру, он может своим притяжением увеличить или уменьшить ее скорость (рис. 5). Если скорость уменьшится, то комета перейдет на орбиту меньшего размера; в этом случае говорят, что она «захвачена» планетой. Все кометы с периодами менее нескольких миллионов лет, вероятно, были захвачены именно таким образом.
Если же скорость кометы относительно Солнца увеличится, то и орбита ее возрастет. Причем с приближением скорости к определенному пределу рост орбиты стремительно ускоряется. На расстоянии 1 а.е. от Солнца эта предельная скорость равна 42 км/с. С большей скоростью тело движется по гиперболической орбите и никогда уже не возвращается к перигелию. Поэтому данную предельную скорость называют «скоростью убегания» с земной орбиты. Ближе к Солнцу скорость убегания выше, а вдали от Солнца – меньше.
Если комета приближается к Юпитеру с большого расстояния, ее скорость близка к скорости убегания. Поэтому, пролетая вблизи Юпитера, комете достаточно лишь немного увеличить свою скорость, чтобы превысить предел и никогда больше не вернуться в окрестности Солнца. Такие кометы называют «выброшенными».
| ЭЛЕМЕНТЫ ОРБИТ ПЛАНЕТ | ||||||
| Планета | Среднее расстояние от Солнца | Период обращения | Эксцен- триситет | Наклоне- ние | ||
| млн. км | а.е.* | сидерический | синодический | |||
| Меркурий | 57,9 | 0,38 | 88,0 сут | 116 сут | 0,21 | 7°0 ў |
| Венера | 108,2 | 0,72 | 224,7 сут | 584 сут | 0,01 | 3°24 ў |
| Земля | 149,6 | 1,00 | 365,3 сут | – | 0,02 | – |
| Марс | 227,9 | 1,52 | 687,0 сут | 780 сут | 0,09 | 1°51 ў |
| Юпитер | 778,3 | 5,20 | 11,8 лет | 399 сут | 0,05 | 1°18 ў |
| Сатурн | 1427,0 | 9,53 | 29,5 лет | 378 сут | 0,06 | 2°29 ў |
| Уран | 2869,6 | 19,18 | 84,0 лет | 370 сут | 0,05 | 0°46 ў |
| Нептун | 4496,6 | 30,05 | 164,8 лет | 367 сут | 0,01 | 1°46 ў |
| Плутон | 5900 | 39,44 | 248,4 лет | 367 сут | 0,25 | 17°9 ў |
| * 1 а.е. (астрономическая единица) – среднее расстояние Земли от Солнца. | ||||||
Скорость убегания от Земли.
Понятие о скорости убегания очень важно. Кстати, нередко ее называют также скоростью «ухода» или «ускользания», а еще «параболической» или «второй космической скоростью». Последний термин применяют в космонавтике, когда речь идет о запусках к другим планетам. Как уже было сказано, для движения спутника по низкой круговой орбите ему нужно сообщить скорость около 8 км/с, которую называют «первой космической». (Точнее, если бы не мешала атмосфера, у поверхности Земли она была бы равна 7,9 км/с.) С увеличением скорости спутника у земной поверхности его орбита становится все более вытянутой: ее среднее расстояние возрастает. Когда будет достигнута скорость убегания, аппарат покинет Землю навсегда.
Рассчитать эту критическую скорость довольно просто. Вблизи Земли кинетическая энергия тела должна быть равна работе силы тяжести при перемещении тела с поверхности Земли «на бесконечность». Поскольку притяжение быстро убывает с высотой (обратно пропорционально квадрату расстояния), то можно ограничиться работой на расстоянии радиуса Земли:
Здесь слева кинетическая энергия тела массы m, движущегося со скоростью V, а справа работа силы тяжести mg на расстоянии радиуса Земли (R = 6371 км). Из этого уравнения найдем скорость (причем это не приближенное, а точное ее выражение):
Орбита Солнца.
Само Солнце вместе с окружающими его планетами и малыми телами Солнечной системы движется по своей галактической орбите. По отношению к ближайшим звездам Солнце летит со скоростью 19 км/с в направлении точки в созвездии Геркулеса. Эту точку называют «апексом» солнечного движения. А в целом вся группа ближайших звезд, включая Солнце, обращается вокруг центра Галактики по орбите радиусом 25ґ10 16 км со скоростью 220 км/с и периодом 230 млн. лет. Эта орбита имеет довольно сложный вид, поскольку движение Солнца постоянно подвергается возмущению со стороны других звезд и массивных облаков межзвездного газа.