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.
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.
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.
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).
Каждый знает, что наша планета в Солнечной системе совершает два вида вращательного движения:
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.
Все мы жители самой прекрасной планеты во Вселенной, ее называют «голубой» из-за обилия воды. Она в Солнечной системе всего одна такая, но все хорошее рано или поздно заканчивается. Вы никогда не задумывались, если Земля остановится, что будет? На этот вопрос мы и попробуем найти ответ в этой статье.
Все еще со времен школьной скамьи знают, что наша земля имеет форму шара и вращается вокруг своей оси. Так же она находится в непрерывном движении вокруг нашего источника тепла и света, Солнца. Но какова же причина вращения Земли?
Все эти вопросы довольно интересны, наверняка, хоть раз в жизни этим задавался каждый житель нашей планеты. Школьный курс дает нам мало информации такого рода. Например, всем известно, что в результате движения Земли, у нас происходит смена дня и ночи, поддерживается температура воздуха, привычная всем нам. Но этого всего не достаточно, ведь не только этим ограничивается данный процесс.
Итак, мы разобрались с тем, что наша планета всегда находится в движении, но зачем и с какой скоростью вращается Земля? Важно знать, что все планеты в Солнечной системе вращаются с определенной скоростью, и все в одном направлении. Совпадение? Конечно, нет!
Еще задолго до появления человека образовалась наша планета, она возникла в водородном облаке. После этого получился сильный толчок, в результате которого облако начало вращаться. Для того чтобы ответить на вопрос «почему», вспомним, что каждая частица при прохождении через вакуум имеет свою инерцию, при этом все частицы уравновешивают ее.
Таким образом, вся Солнечная система вращается все быстрее и быстрее. Из этого образовалось наше Солнце, а затем и все остальные планеты, а в наследство от светила получили те самые движения.
Этот вопрос интересует ученых и сейчас, существует множество гипотез, но приведем наиболее правдоподобную.
Итак, мы в предыдущем пункте уже сказали, что вся Солнечная система образовалась из скопления «мусора», который набрался в результате того, что молодое, на тот момент, Солнце его притягивало. Несмотря на то, что основная его масса и досталась нашему Солнцу, все-таки вокруг образовались планеты. Изначально они не имели привычную для нас форму.
Иногда, сталкиваясь с объектами, они разрушались, но обладали способностью притягивать более мелкие частицы, так и набирали свою массу. Нашу планету заставило вращаться несколько факторов:
И последнее не ошибка, тогда Земля напоминала форму снежка, слепленного маленьким ребенком. Неправильная форма заставляла быть планету неустойчивой, она подвергалась воздействию ветра и радиации Солнца. Несмотря на вышла из неуравновешенного положения и начала крутиться, подталкиваемая теми же факторами. Если говорить коротко, то наша планета не сама движется, а ее много миллиардов лет назад подтолкнули. Мы не уточнили, с какой скоростью вращается Земля. Она вечно находится в движении. И почти за двадцать четыре часа делает полный оборот вокруг своей оси. Такое движение называют суточным. Скорость вращения не везде одинакова. Так на экваторе она равняется примерно 1670 километров в час, а Северный и Южный полюс может и вовсе оставаться на месте.
Но кроме этого, наша планета еще движется и по другой траектории. Полный оборот Земли вокруг Солнца происходит за триста шестьдесят пять дней и пять часов. Это объясняет то, что существует високосный год, то есть в нем на один день больше.
Если Земля остановится, что будет? Начнем с того, что остановку можно рассматривать, как вокруг своей оси, так и вокруг Солнца. Мы разберем все варианты более подробно. В данной главе обсудим некоторые общие моменты, и возможно ли это вообще.
Если рассматривать резкую остановку вращения Земли вокруг своей оси, то это практически не реально. К этому может привести только столкновение с крупным объектом. Сразу уточним, что уже не будет никакой разницы, вращается планета или вообще улетела со своей орбиты, так как остановку может вызвать настолько большой объект, что Земля попросту не выдержит такого удара.
Если Земля остановится, что будет? Если резкая остановка практически не возможна, то медленное торможение вполне реально. Хоть это и не ощущается, но наша планета и так постепенно замедляется.
Если говорить о полете вокруг Солнца, то остановка планеты в этом случае - это что-то из области фантастики. Но мы отбросим все вероятности и предположим, что это все-таки произошло. Предлагаем вам разобрать каждый случай отдельно.
Хоть этот вариант гипотетически невозможен, но мы все-таки предположим. Если Земля остановится, что будет? Скорость нашей планеты настолько велика, что резкая остановка по каким-либо причинам, просто снесет все на ней.
Для начала, в каком направлении вращается Земля? С Запада на Восток со скоростью более чем пятьсот метров в секунду. Из этого мы можем предположить, что все, что движется на планете и продолжит свое движение со скоростью более 1,5 тысячи километров в час. Ветер, который будет дуть с такой же скоростью, вызовет сильнейшее цунами. На одном полушарии будет шесть месяцев день, а затем, те, кого не спалит высочайшая температура, добьет полгода сильного мороза и ночи. А что если и после этого останутся живые? Их погубит радиация. Кроме этого, после остановки Земли наше ядро сделает еще несколько оборотов, при этом будут извергаться вулканы в тех местах, где они раньше не встречались.
Атмосфера так же не остановит своего движения мгновенно, то есть будет ветер, дующий со скоростью 500 метров в секунду. Кроме этого, возможна частичная потеря атмосферы.
Этот вариант катастрофы наиболее лучший исход для человечества, ведь все произойдет настолько быстро, что ни один человек просто не успеет опомниться, не поймет, что происходит. Так как наиболее вероятный результат - это взрыв планеты. Другое дело - это медленная и постепенная остановка планеты.
Многим приходит первое на ум - это вечный день на одной стороне, и вечная ночь на другой, но это, на самом деле, не сильно большая проблема, по сравнению с остальными.
Наша планета замедляет свое вращение, ученые говорят о том, что человек не застанет полной ее остановки, так как она произойдет через миллиарды лет, а задолго до этого Солнце увеличится в объеме и просто сожжет Землю. Но, тем не менее, мы смоделируем ситуацию остановки в обозримом будущем. Только для начала разберемся с вопросом: почему происходит медленная остановка?
Ранее сутки на нашей планете длились примерно шесть часов, а на этот фактор сильное воздействие оказывает Луна. Но как? Она вызывает колебания воды своей силой притяжения, а в результате этого процесса и происходит медленная остановка.
Нас ждет вечная ночь или вечный день на одном из полушарий, но это не самая большая беда, по сравнению с перераспределением суши и океана, которое приведет к массовому уничтожению всего живого.
Там, где будет солнце, все растения постепенно вымрут, а почва потрескается от засухи, а вот другая сторона - это снежная тундра. Наиболее подходящая для обитания область будет промежуточной, где будет вечный восход или закат. При этом данные территории будут достаточно малы. Суша будет располагаться только на экваторе. Северный и Южный полюс будут представлять собой два больших океана.
Не исключение и то, что человеку нужно будет приспособиться существовать в земле, а для прогулок на поверхности понадобятся скафандры.
Этот сценарий прост, все, что находилось на передней стороне, улетит в свободное пространство космоса, ведь наша планета движется с очень большой скоростью, другие же получат не менее сильный удар об землю.
Даже если Земля будет постепенно замедлять свое движение, то в итоге она упадет на Солнце, а весь этот процесс займет шестьдесят пять дней, но до последнего никто не доживет, так как температура будет составлять около трех тысяч градусов по Цельсию. Если верить расчетам ученых, то через месяц на нашей планете температура будет достигать 50 градусов.
Этот сценарий практически не реален, но поглощение Земли Солнцем - это факт, которого не избежать, но человечество не сможет застать этого дня.
Это самый фантастический вариант. Нет, мы не отправимся в путешествие по космосу, ведь существуют законы физики. Если хоть одна планета из Солнечной системы слетит с орбиты, то она внесет хаос в движении всех остальных, в итоге попадет в "лапы" Солнцу, которое его поглотит, притягивая своей массой.
Человеку потребовалось множество тысячелетий на понимание того, что Земля не является центром Вселенной и пребывает в постоянном движении.
Фраза Галилео Галлилея «И все-таки она вертится!» навсегда вошла в историю и стала своеобразным символом той эпохи, когда ученые из разных стран пытались опровергнуть теорию о геоцентрической системе мира.
Хотя вращение Земли было доказано около пяти столетий назад, точные причины, побуждающие ее двигаться, неизвестны до сих пор.
В Средневековье люди считали, что Земля неподвижна, а Солнце и другие планеты вертятся вокруг нее. Только в XVI веке астрономам удалось доказать обратное. Несмотря на то что многие связывают это открытие с Галлилеем, на самом деле оно принадлежит другому ученому – Николаю Копернику.
Именно он в 1543 году написал трактат «Об обращении небесных сфер», где выдвинул теорию о движении Земли . Долгое время эта идея не получала поддержки ни со стороны его коллег, ни со стороны церкви, но в итоге оказала огромное влияние на научную революцию в Европе и стала основополагающей в дальнейшем развитии астрономии.
После того как теория о вращении Земли была доказана, ученые принялись искать причины этого явления. На протяжении последних столетий было выдвинуто множество гипотез, но даже сегодня точно ответить на этот вопрос не может ни один астроном.
В настоящее время существует три основные версии, которые имеют право на жизнь – теории об инертном вращении, магнитных полях и воздействии на планету солнечного излучения.
Некоторые ученые склонны полагать, что когда-то (еще во времена своего появления и формирования) Земля раскрутилась, а сейчас вращается по инерции. Образовавшись из космической пыли, она стала притягивать к себе другие тела, которые придавали ей дополнительный импульс. Это предположение относится и к другим планетам Солнечной системы.
У теории есть немало противников, поскольку она не может объяснить, почему в разное время скорость движения Земли то увеличивается, то уменьшается. Непонятен также тот факт, по какой причине некоторые планеты Солнечной системы вращаются в другую сторону, как например Венера.
Если попытаться соединить между собой два магнита с одинаково заряженным полюсом, они начнут отталкиваться друг от друга. Теория о магнитных полях предполагает, что полюса Земли тоже заряжены одинаково и как бы отталкиваются друг от друга, что заставляет планету вращаться.
Что интересно, недавно ученые сделали открытие, согласно которому магнитное поле Земли толкает ее внутренне ядро с запада на восток и заставляет его вращаться быстрее, чем остальная планета.
Наиболее вероятной принято считать теорию об излучении Солнца. Хорошо известно, что оно прогревает поверхностные оболочки Земли (воздух, моря, океаны), но при этом нагрев происходит неравномерно, в результате чего образуются морские и воздушные течения.
Именно они при взаимодействии с твердой оболочкой планеты заставляют ее вращаться. Своего рода турбинами, определяющими быстроту и направление движения, выступают континенты. Если они недостаточно монолитны, начинается их дрейф, что оказывает влияние на рост или снижение скорости.
Причиной обращения Земли вокруг Солнца называют инерцию. Согласно теории об образовании нашей звезды, около 4,57 млрд. лет назад в космосе возникло огромное количество пыли, которое постепенно превратилось в диск, а затем – в Солнце.
Внешние частички этой пыли стали соединяться между собой, образуя планеты. Уже тогда они по инерции начали вращаться вокруг звезды и продолжают двигаться по той же траектории и сегодня.
Согласно закону Ньютона, все космические тела передвигаются по прямой, то есть на самом деле планеты Солнечной системы, включая Землю, должны были давно улететь в открытый космос. Но этого не происходит.
Причина заключается в том, что Солнце имеет большую массу и, соответственно, огромную силу притяжения. Земля во время движения все время пытается устремиться от него по прямой линии, но гравитационные силы притягивают ее обратно, поэтому планета удерживается на орбите и крутится вокруг Солнца.
Наша планета находится в постоянном движении. Вместе с Солнцем она перемещается в космосе вокруг центра Галактики. А та, в свою очередь, движется во Вселенной. Но наибольшее значение для всего живого играет вращение Земли вокруг Солнца и собственной оси. Без этого движения условия на планете были бы непригодными для поддержания жизни.
Земля как планета Солнечной системы по расчетам ученых сформировалась более 4,5 млрд лет назад. За это время расстояние от светила практически не изменялось. Скорость движения планеты и сила притяжения Солнца уравновесили ее орбиту. Она не идеально круглая, но стабильная. Если бы сила притяжения светила была сильнее или скорость Земли заметно уменьшилась, то она бы упала на Солнце. В противном случае она рано или поздно улетела бы в космос, перестав быть частью системы.
Расстояние от Солнца до Земли делает возможным поддержание оптимальной температуры на ее поверхности. В этом немаловажную роль играет и атмосфера. Во время вращения Земли вокруг Солнца меняются времена года. Природа приспособилась к таким циклам. Но если бы наша планета была отдалена на большее расстояние, то температура на ней стала бы отрицательной. Очутись она ближе - вся вода бы испарилась, так как столбик термометра превысил бы точку кипения.
Путь планеты вокруг светила называется орбитой. Траектория этого полета не идеально круглая. Она имеет эллипсность. Максимальная разница составляет 5 млн км. Самая близкая точка орбиты к Солнцу находится на расстоянии 147 км. Она называется перигелием. Земля ее проходит в январе. В июле планета находится от светила на максимальном отдалении. Наибольшее расстояние - 152 млн км. Эта точка называется афелием.
Вращение Земли вокруг своей оси и Солнца обеспечивает соответственно смену суточных режимов и годовых периодов.
Для человека движение планеты вокруг центра системы незаметно. Это из-за того, что масса Земли огромна. Тем не менее каждую секунду мы пролетаем в пространстве около 30 км. Это кажется нереальным, но таковы расчеты. В среднем считается, что Земля находится от Солнца на расстоянии около 150 млн км. Один полный оборот вокруг светила она делает за 365 дней. Пройденное расстояние за год составляет почти миллиард километров.
Точное расстояние, которое наша планета проходит за год, двигаясь вокруг светила, составляет 942 млн км. Мы вместе с ней движемся в пространстве по эллиптической орбите со скоростью 107 000 км/час. Направление вращения - с запада на восток, то есть против условной часовой стрелки.
Полный оборот планета завершает не ровно за 365 дней, как принято считать. При этом проходит еще около шести часов. Но для удобства летоисчисления это время учитывают суммарно за 4 года. В итоге «набегает» один дополнительный день, его добавляют в феврале. Такой год считается високосным.
Скорость вращения Земли вокруг Солнца непостоянна. Она имеет отклонения от среднего значения. Это связано с эллиптической орбитой. Разница между значениями наиболее проявляется в точках перигелия и афелия и составляет 1 км/сек. Эти изменения незаметны, так как мы и все окружающие нас предметы двигаются в системе координат одинаково.
Вращение Земли вокруг Солнца и наклон оси планеты делает возможным смену времен года. Это меньше заметно на экваторе. Но ближе к полюсам годовая цикличность проявляется больше. Северное и Южное полушария планеты обогреваются энергией Солнца неравномерно.
Двигаясь вокруг светила, они проходят четыре условные точки орбиты. При этом поочередно два раза в течение полугодичного цикла они оказываются к нему дальше или ближе (в декабре и июне - дни солнцестояний). Соответственно в месте, где поверхность планеты прогревается лучше, там температура окружающей среды выше. Период на такой территории принято называть летом. В другом полушарии в это время заметно холоднее - там зима.
Спустя три месяца такого движения с периодичностью в полгода планетарная ось располагается таким образом, что оба полушария находятся в одинаковых условиях для обогрева. В это время (в марте и сентябре - дни равноденствия) температурные режимы приблизительно равны. Тогда, в зависимости от полушария, наступают осень и весна.
Наша планета - это вращающийся шар. Движение ее осуществляется вокруг условной оси и происходит по принципу волчка. Опираясь основанием в плоскость в раскрученном состоянии, он будет удерживать равновесие. Когда скорость вращения ослабевает, волчок падает.
Земля упора не имеет. На планету действуют силы притяжения Солнца, Луны и других объектов системы и Вселенной. Тем не менее она выдерживает постоянное положение в пространстве. Скорость ее вращения, полученная еще при формировании ядра, достаточна для поддержания относительного равновесия.
Земная ось проходит через шар планеты не перпендикулярно. Она наклонена под углом 66°33´. Вращение Земли вокруг своей оси и Солнца делает возможным смену сезонов года. Планета «кувыркалась» бы в пространстве, если бы у нее не было строгой ориентации. Ни о каком постоянстве условий среды и жизненных процессов на ее поверхности не было бы речи.
Вращение Земли вокруг Солнца (один оборот) происходит в течение года. За день на ней сменяются день и ночь. Если посмотреть на Северный полюс Земли с космоса, то можно увидеть, как она вращается против часовой стрелки. Полный оборот она совершает приблизительно за 24 часа. Этот период называют сутками.
Скорость вращения определяет быстроту смены дня и ночи. За один час планета оборачивается приблизительно на 15 градусов. Скорость вращения в разных точках ее поверхности различна. Это происходит из-за того, что она имеет шарообразную форму. На экваторе линейная скорость составляет 1669 км/час, или 464 м/сек. Ближе к полюсам этот показатель уменьшается. На тридцатой широте линейная скорость уже будет составлять 1445 км/час (400 м/сек).
Из-за осевого вращения планета имеет несколько сжатую с полюсов форму. Также это движение «заставляет» отклоняться перемещающиеся предметы (в том числе воздушные и водные потоки) от первоначального направления (сила Кориолиса). Еще одним важным следствием такого вращения являются приливы и отливы.
Шарообразный объект единственным источником света в определенный момент освещается только наполовину. Применительно к нашей планете в одной ее части в этот момент будет день. Неосвещенная часть будет скрыта от Солнца - там ночь. Осевое вращение дает возможность сменяться этим периодам.
Кроме светового режима изменяются условия обогрева поверхности планеты энергией светила. Такая цикличность имеет важное значение. Скорость смены световых и тепловых режимов осуществляется сравнительно быстро. За 24 часа поверхность не успевает ни чрезмерно нагреться, ни остыть ниже оптимального показателя.
Вращение Земли вокруг Солнца и своей оси с относительно постоянной скоростью имеет определяющее для животного мира значение. Без постоянства орбиты планета не удержалась бы в зоне оптимального обогрева. Без осевого вращения день и ночь длились бы по полгода. Ни то ни другое не способствовало бы зарождению и сохранению жизни.
Человечество за свою историю привыкло к тому, что смена дня и ночи происходит постоянно. Это служило неким эталоном времени и символом равномерности жизненных процессов. На период вращения Земли вокруг Солнца до определенной степени оказывает влияние эллипсность орбиты и другие планеты системы.
Другая особенность - изменение продолжительности суток. Осевое вращение Земли происходит неравномерно. Выделяют несколько основных причин. Значение имеют сезонные колебания, связанные с динамикой атмосферы и распределением осадков. Кроме того, приливная волна, направленная против хода движения планеты, постоянно его тормозит. Этот показатель ничтожен (за 40 тыс. лет на 1 секунду). Но за 1 млрд лет под действием этого продолжительность суток увеличилась на 7 часов (с 17 до 24).
Следствия вращения Земли вокруг Солнца и своей оси изучаются. Данные исследования имеют большое практическое и научное значение. Их используют не только для точности определения звездных координат, но и для выявления закономерностей, которые могут влиять на процессы жизнедеятельности человека и природные явления в гидрометеорологии и других областях.
Очень многие привычные нам с детства особенности жизни являются результатом процессов космического масштаба. Смена дня и ночи, времен года, продолжительность периода, в течение которого Солнце находится над горизонтом, связаны с тем, как и с какой скоростью вращается Земля, с особенностями ее передвижения в космосе.
Ось любой планеты — конструкция умозрительная, созданная для удобства описания движения. Если мысленно провести линию через полюса, это и будет ось Земли. Вращение вокруг нее — одно из двух основных движений планеты.
Ось не составляет с плоскостью эклиптики (плоскостью вокруг Солнца) 90º, а отклоняется от перпендикуляра на 23º27". Считается, что планета вращается с запада на восток, то есть против часовой стрелки. Именно таким выглядит ее движение вокруг оси, если наблюдать его на Северном полюсе.
Когда-то считалась, что наша планета неподвижна, а звезды, закрепленные на небе, вращаются вокруг нее. Достаточно длительное время в истории никого не интересовало, с какой скоростью Земля обращается по орбите или вокруг оси, поскольку сами понятия «ось» и «орбита» не укладывались в научные познания того периода. Экспериментальное доказательство факта постоянного движения Земли вокруг оси было получено в 1851 году Жаном Фуко. Оно окончательно убедило всех, кто в позапрошлом веке еще сомневался в этом.
Опыт был проведен в под куполом которого разместили маятник и круг с делениями. Раскачиваясь, маятник при каждом новом движении смещался на несколько делений. Подобное возможно только при условии вращения планеты.
Насколько быстро вращается Земля вокруг своей оси? Однозначный ответ на этот вопрос дать довольно трудно, поскольку скорость различных географических точек неодинакова. Чем ближе местность к экватору, тем она выше. В районе Италии значение скорости, например, оценивается в 1200 км/ч. В среднем же планета за час преодолевает 15º.
Со скоростью вращения Земли связана продолжительность суток. Отрезок времени, за который наша планета делает один оборот вокруг оси, определяется двумя способами. Для определения так называемых звездных или сидерических суток в качестве системы отсчета выбирается любая звезда, кроме Солнца. Они длятся 23 часа 56 минут и 4 секунды. Если же за отправную точку берется наше светило, то сутки называют солнечными. Их величина в среднем составляет 24 часа. Она несколько меняется в зависимости от положения планеты относительно светила, которое влияет и на скорость вращения вокруг оси и на то, с какой скоростью Земля обращается по орбите.
Второе важнейшее движение планеты — это ее «кружение» по орбите. Неизменное перемещение по слегка вытянутой траектории ощущается людьми чаще всего по смене времен года. То, с какой скоростью Земля движется вокруг Солнца, выражается для нас в первую очередь в единицах измерения времени: один оборот занимает 365 дней 5 часов 48 минут 46 секунд, то есть астрономический год. Точная цифра наглядно объясняет, почему каждые четыре года в феврале появляется дополнительный день. Он представляет собой сумму накопленных за это время часов, не вошедших в принятые 365 суток года.
Как уже отмечалось, то, с какой скоростью Земля обращается по орбите, связано с характеристиками последней. Траектория движения планеты отличается от идеальной окружности, она слегка вытянута. В результате Земля то приближается к светилу, то удаляется от него. Когда планету и Солнце разделяет минимальное расстояние, такое положение называется перигелием. Максимальное удаление соответствует афелию. Первое приходится на 3 января, второе — на 5 июля. И для каждой из этих точек вопрос: «С какой скоростью вращается Земля по орбите?» - имеет свой ответ. Для афелия это 29,27 км/с, для перигелия — 30,27 км/с.
То, с какой скоростью вращается Земля по орбите, и в целом движение планеты вокруг Солнца имеют ряд следствий, определяющих многие нюансы нашей жизни. Например, эти перемещения сказываются на продолжительности дня. Солнце постоянно изменяет свое положение на небе: смещаются точки восхода и захода, становится несколько иной высота светила над горизонтом в полдень. В результате изменяется продолжительность дня и ночи.
Совпадают эти две величины лишь в равноденствие, когда центр Солнца пересекает небесный экватор. Наклон оси при этом оказывается нейтральным по отношению к светилу, и его лучи отвесно падают на экватор. Весеннее равноденствие приходится на 20-21 марта, осеннее — на 22-23 сентября.
Один раз в году день достигает своего максимума по продолжительности, а через полгода — минимума. Эти даты принято называть солнцестоянием. Летнее приходится на 21-22 июня, а зимнее — на 21-22 декабря. В первом случае наша планета так располагается по отношению к светилу, что северный край оси смотрит в направлении Солнца. В результате лучи отвесно падают на и освещают всю область за Полярным кругом. В Южном полушарии при этом, наоборот, солнечные лучи достигают лишь области между экватором и Полярным кругом.
Во время зимнего солнцестояния события протекают точно так же, только полушарии меняются ролями: освещается Южный полюс.
Положение на орбите влияет не только на то, с какой скоростью Земля движется вокруг Солнца. В результате изменения расстояния, отделяющего от светила, а также наклона оси планеты на протяжении года неравномерно распределяется солнечная радиация. А это, в свою очередь, становится причиной смены времен года. Причем длительность зимнего и летнего полугодия различна: первое составляет 179 суток, а второе — 186. К этому несовпадению приводит все тот же наклон оси относительно плоскости эклиптики.
Кружение Земли по орбите имеет и еще одно последствие. Годовое движение приводит к изменению положения Солнца над горизонтом, в результате чего на планете образовались пояса освещенности:
Жаркие располагаются на 40 % территории Земли, между Южным и Северным тропиком. Как понятно из названия, сюда приходит больше всего тепла.
Умеренные пояса — между Полярным кругом и Тропиками — характеризуются выраженной сменой сезонов.
Полярные пояса, размещающиеся за Полярными кругами, отличаются низкой температурой в течение всего года.
Движение планет в целом и, в частности, то, с какой скоростью Земля обращается по орбите, влияют и на другие процессы. Среди них течение рек, смена сезонов, определенные ритмы жизни растений, животных и человека. Кроме того, вращение Земли в силу своего влияния на освещенность и температуру поверхности влияет на сельскохозяйственные работы.
Сегодня то, какая скорость вращения Земли, каково ее расстояние до Солнца, и прочие особенности, связанные с движением планеты, изучаются в школе. Однако, если задуматься, они совершенно неочевидны. Когда подобная мысль приходит в голову, хочется от души поблагодарить тех ученых и исследователей, которые во многом лишь благодаря своему незаурядному уму смогли открыть закономерности космической жизни Земли, описать их, а затем доказать и объяснить остальному миру.
