Что вращается вокруг своей оси. Земля не движется вокруг… ✓ Расходимся
Земля всегда находится в движении. Хотя кажется, что мы стоим неподвижно на поверхности планеты, она беспрерывно вращается вокруг своей оси и Солнца. Это движение не чувствуется нами, так как оно напоминает полет в самолете. Мы движемся с той же скоростью, что и самолет, поэтому не ощущаем, что движемся вообще.
С какой скоростью Земля вращается вокруг своей оси?
Земля делает один оборот вокруг своей оси почти за 24 часа (если быть точными, то за 23ч 56мин 4,09сек или 23,93 часа) . Поскольку окружность Земли на составляет 40075 км, то любой объект на экваторе вращается со скоростью приблизительно 1674 км в час или примерно 465 метров (0,465 км) в секунду (40075 км делим на 23,93 часа и получаем 1674 км в час) .
На (90 градусах северной широты) и (90 градусах южной широты), скорость фактически равна нулю, потому что точки полюсов вращаются на очень медленной скорости.
Для того чтобы определить скорость на любой другой широте, просто умножьте косинус широты на скорость вращения планеты на экваторе (1674 км в час). Косинус 45 градусов равен 0,7071, таким образом, умножаем 0,7071 на 1674 км в час и получаем 1183,7 км в час .
Косинус необходимой широты легко определить с помощью калькулятора или посмотреть в таблице косинусов.
Скорость вращения Земли для других широт:
- 10 градусов: 0.9848×1674=1648,6 км в час;
- 20 градусов: 0.9397×1674=1573,1 км в час;
- 30 градусов: 0.866×1674=1449,7 км в час;
- 40 градусов: 0.766×1674=1282,3 км в час;
- 50 градусов: 0.6428×1674=1076,0 км в час;
- 60 градусов: 0.5×1674=837,0 км в час;
- 70 градусов: 0.342×1674=572,5 км в час;
- 80 градусов: 0.1736×1674=290,6 км в час.
Циклическое торможение
Все циклично, даже скорость вращения нашей планеты, которую геофизики могут измерить с точностью до миллисекунд. Вращение Земли, как правило, имеет пятилетние циклы замедления и ускорения, и последний год цикла замедления часто взаимосвязан со всплеском землетрясений по всему миру.
Так как 2018 год является последним в цикле замедление, ученые ожидают в этом году рост сейсмической активности. Корреляция не является причинно-следственной связью, но геологи всегда ищут инструменты, чтобы попытаться предсказать, когда произойдет очередное мощное землетрясение.
Колебания земной оси
Земля при вращении совершает небольшие колебания, поскольку ее ось дрейфует на полюсах. Было замечено, что дрейф земной оси ускорился с 2000 года, двигаясь со скоростью 17 см в год на восток. Ученые установили, что ось по-прежнему движется на восток вместо того, чтобы двигаться вперед и назад из-за комбинированного эффекта таяния Гренландии и , а также потери воды в Евразии.
Дрейф оси, как предполагается, особенно чувствителен к изменениям, происходящим на 45 градусах северной и южной широты. Это открытие привело к тому, что ученые наконец смогли ответить на давний вопрос о том, почему ось вообще дрейфует. Колебание оси на Восток или Запад было вызвано сухими или влажными годами в Евразии.
С какой скоростью Земля движется вокруг Солнца?
В дополнение к скорости вращения Земли вокруг своей оси, наша планета также вращается вокруг Солнца со скоростью около 108000 км в час (или примерно 30 км в секунду), и полностью завершает свою орбиту вокруг Солнца за 365,256 дней.
Только в 16-м веке люди поняли, что Солнце является центром нашей Солнечной системы, и что Земля перемещается вокруг него, а не является неподвижным центром Вселенной.
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.
Почему Земля крутится вокруг оси?
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.
Теория об инертном вращении
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.
Теория о магнитных полях
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.
Гипотеза о воздействии Солнца
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.
Почему Земля движется вокруг Солнца?
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.
Теория о мире, как геоцентрической системе, в былые времена не раз подвергалась критике и сомнениям. Известно, что над доказательством этой теории трудился Галилео Галилей. Это ему принадлежит вошедшая в историю фраза: «И все-таки она вертится!». Но всё же не ему удалось это доказать, как думают многие, а Николаю Копернику, который в 1543 написал трактат о движении небесных тел вокруг Солнца. Удивительно, но, несмотря на все эти доказательства, о круговом ходе Земли вокруг огромного светила, в теории остаются ещё открытые вопросы о причинах, побуждающих её к этому движению.
Причины движения
Средневековье позади, когда люди считали нашу планету неподвижной, и ее движения уже никто не оспаривает. А вот причины, по которым Земля направляется в путь вокруг Солнца, доподлинно неизвестны. Выдвинуто три теории:
- инертное вращение;
- магнитные поля;
- воздействие солнечного излучения.
Существуют и другие, но они не выдерживают критики. Интересно и то, что вопрос: «В какую сторону вращается Земля вокруг огромного небесного светила?», тоже недостаточно корректен. Ответ на него получен, но он точен лишь относительно общепринятого ориентира.
Солнце - это огромная звезда, вокруг которой сосредоточена жизнь в нашей планетарной системе. Все эти планеты совершают ход вокруг Солнца по своим орбитам. Земля движется по третьей орбите. Изучая вопрос: «В какую сторону вращается Земля по орбите?», учёные сделали множество открытий. Они поняли, что сама орбита не идеальна, поэтому наша зелёная планета находится от Солнца в разных её точках на отличных друг от друга расстояниях. Поэтому было высчитано среднее значение: 149 600 000 км.
Ближе всего Земля к Солнцу 3 января, а дальше - 4 июля. С этими явлениями связывают понятия: наименьший и наибольший временной день в году, по отношению к ночи. Изучая всё тот же вопрос: «В какую сторону вращается Земля по своей солнечной орбите?», учёные сделали ещё один вывод: процесс кругового хода происходит и по орбите, и вокруг собственного невидимого стержня (оси). Сделав открытия этих двух вращений, учёные задались вопросами не только причин, вызывающих такие явления, но и о форме орбиты, а также скорости вращения.
Как учёные определили, в какую сторону вращается Земля вокруг Солнца в планетарной системе?
Орбитальную картину планеты Земля описал немецкий астроном и математик В своём фундаментальном труде «Новая астрономия» он называет орбиту эллиптической.
Все объекты на поверхности Земли вращаются вместе с ней, используя общепринятые описания планетарной картины Солнечной системы. Можно сказать, что, наблюдая со стороны севера из космоса, на вопрос: «В какую сторону вращается Земля вокруг центрального светила?», ответ будет следующим: «С запада на восток».
Сравнивая с движениями стрелки в часах - это против её хода. Такую точку зрения приняли относительно Полярной звезды. То же самое увидит человек, находящийся на поверхности Земли со стороны Северного полушария. Представив себя на шаре, движущемся вокруг неподвижного светила, он увидит своё вращение справа налево. Это равносильно ходу против стрелки часов или с запада на восток.
Земная ось
Все это касается и ответа на вопрос: «В какую сторону вращается Земля вокруг своей оси?» - в противоположном ходу стрелки часов. Но если представить себя наблюдателем в Южном полушарии, картина будет выглядеть иначе - наоборот. Но, понимая, что в космосе понятия запада и востока отсутствуют, учёные оттолкнулись от земной оси и Полярной звезды, на которую ось направлена. Это и определило общепринятый ответ на вопрос: «В какую сторону вращается Земля вокруг своей оси и вокруг центра Солнечной системы?». Соответственно Солнце показывается утром из-за горизонта с восточного направления, а скрывается от наших взоров на западе. Интересно то, что многие сравнивают земные обороты вокруг собственного невидимого осевого стержня с вращением волчка. Но при этом земная ось не видна и несколько наклонена, а не вертикальна. Всё это отражается на форме Земного шара и эллиптической орбиты.
Звёздные и солнечные сутки
Кроме ответа на вопрос: «В какую сторону вращается Земля по часовой или против хода стрелки часов?», учёные рассчитали время оборота вокруг своей невидимой оси. Оно составляет 24 часа. Интересно то, что это лишь примерное число. Фактически, полный оборот на 4 минуты меньше (23 ч. 56 мин. 4,1 сек.). Это так называемый звёздный день. Мы же считаем сутки по солнечному дню: 24 часа, так как Земле на своей планетарной орбите каждый день необходимы ещё дополнительные 4 минуты, чтобы вернуться на своё место.
"Наша планета вращается" - такое утверждение давно стало очевидностью. Тем более, что вращение это сложное, наверно, даже более сложное, чем можно себе представить и до самого конца не исследованное человеком, потому как не известны ещё пока границы вселенной, и никто не может сказать - вокруг чего же в конечном итоге вращается весь наш мир. Однако, любое вращение, как и любое движение - вещь относительная, и нам с Земли кажется, что это не мы, а весь мир вращается вокруг нас, потому столько веков и потребовалось, чтобы человек осознал вращение собственной планеты. И то, что сейчас кажется очевидным, на самом деле было очень-очень сложным: посмотреть на свой мир со стороны, особенно, когда кажется, что он - центр мироздания. Попробуем же разобраться с тем, как вращается наша планета, и какие следствия из этого возникают.
Вращение вокруг своей оси
Земля вращается вокруг своей оси и делает полный оборот за 24 часа. С нашей стороны - на Земле - мы наблюдаем движение неба, Солнца, планет и звёзд. Небо вращается с востока на запад, поэтому Солнце и планеты восходят на востоке и заходят на западе. Главным небесным телом для нас, разумеется, является Солнце. Вращение Земли вокруг своей оси приводит к тому что Солнце поднимается над горизонтом каждый день и опускается за него каждую ночь. Собственно, это и является причиной того, что день и ночь сменяют друг друга. Большое значение для нашей планеты имеет ещё и Луна. Луна светит отражённым от Солнца светом, так что от неё не может зависеть смена дня и ночи, однако, Луна - очень массивный небесный объект, поэтому она способна притягивать к себе жидкую оболочку Земли - , слегка деформируя её. По космическим меркам притяжение это ничтожное, но по нашим - достаточно ощутимое. Дважды в сутки мы наблюдаем прилив и дважды в сутки - отлив. Приливы наблюдаются на той части планеты, над которой находится Луна, а также - на противоположной от неё. Отливы смещены относительно приливов на 90°. Луна делает полный оборот вокруг Земли за месяц (отсюда и название неполной луны на небе), за это же время и делает полный оборот вокруг своей оси, поэтому мы всегда видим только одну сторону Луны. Как знать, если бы Луна вращалась на нашем небе, возможно, люди бы догадались и о вращении своей планеты гораздо раньше.
Выводы: вращение Земли вокруг своей оси приводит к смене дня и ночи, возникновению приливов и отливов.
Вращение вокруг Солнца
Только в 17 веке гелиоцентрическая модель мира (Земля и планеты вращаются вокруг Солнца) окончательно вытеснила геоцентрическую модель (Солнце и планеты вращаются вокруг Земли). Развитие астрономии и наблюдение за планетами сделали более невозможным утверждение о вращении мира вокруг Земли. Сейчас для всех очевидно, что наша планета делает оборот вокруг Солнца примерно за 365,25 дня. К сожалению, это не слишком удобно, а округлить эту дату нельзя, иначе за 4 года будет накапливаться ошибка в один день. Кстати, эта особенность создавала массу проблем древним народам, потому что составление календаря из-за неровного числа дней в году обращалось в путаницу. Коснулось это даже Древнего Рима, ходила такая пословица, которая в вольной трактовке значила, что римляне всегда совершают великие победы, но точно не знают, в какой день это произошло. Необходимую реформу календаря провёл в 45 году до н.э. Юлий Цезарь. Именно в его честь седьмой месяц года мы до сих пор называем "июль". В юлианском календаре каждый 4 год високосный, то есть составляет 366 дней - добавляется 29 февраля. Однако, и эта система не оказалась достаточно точной, так как с течением времени и в нём начала накапливаться ошибка. Год на самом деле имеет на 11 минут меньшую продолжительность, что становится существенным на протяжении веков. Примерно за 128 лет юлианский календарь накапливает ошибку в 1 сутки. Из-за этого пришлось вводить новый - григорианский календарь (его ввёл Римский Папа Григорий XIII). Этим календарём мы пользуемся до сих пор. В нём не все годы, которые делятся на 4 считаются високосными. Годы, которые кратны 100 являются високосными только если делятся на 400. Но даже этот календарь не идеальный, он накопит ошибку в 1 сутки за 10 000 лет. Правда, нас пока такая погрешность устраивает. В прочем, данная проблема чисто технически решается вводом каждые 10 тысяч лет 30 февраля, нам это, правда, не грозит.
Итак, Земля вращается вокруг Солнца за один год, при этом на ней происходит смена времён года. Причина этого в наклоне земной оси. Ось вращения нашей планеты (и это мы видим на глобусе) наклонена под углом 23,5°. При этом она всегда "смотрит" в одну точку неба, рядом с которой находится Полярная звезда, создавая впечатление, что небесная сфера вращается вокруг этой точки. Наклон земной оси приводит к тому, что полгода земля наклонена к Солнцу Северным полушарием, а полгода - отвёрнута Северным и обращена Южным. Это приводит к тому, что высота Солнца над горизонтом из месяца в месяц меняется - зимой оно поднимается невысоко, тепла мы получаем мало, и становится холодно. Зато на противоположном полушарии в этот момент лето - оно повёрнуто к Солнцу, через полгода лето наступает у нас. Солнце поднимается над горизонтом всё выше и прогревает нашу половину Земли, правда, с другой стороны планеты наступает зима. (см. рисунок; источник: http://www.rgo.ru/2011/01/kogda-prixodit-osen/)
Хочется отметить, что наклон земной оси мы считаем постоянным, и по меркам человеческой жизни это так, хотя и не совсем. Дело в том, что Северный полюс мира на небе (там где сейчас находится Полярная звезда) медленно сдвигается. Это явление называется прецессией полюсов. Тот же самый процесс наблюдается у закрученного волчка, который мы хорошо начинаем видеть, когда волчок начинает останавливаться. Несмотря на быстрое вращение, его ручка начинает описывать окружности, медленно меняя направление наклона его оси. Конечно, Земля - не волчок и строгую параллель провести нельзя, но процесс идёт похожий, так через несколько тысяч лет Полярная звезда уже не будет находиться в "полюсе мира". Однако, в течение жизни человек не сможет наблюдать такие процессы. Равно как и изменение наклона земной оси. Очевидно, что за 4,5 миллиарда лет существования наклон нашей планеты менялся, что имело серьёзные последствия для всей планеты, но изменение наклона оси может происходить не быстрее, чем 1° за сотни тысяч лет! Некоторые псевдонаучные фильмы говорят нам о возможном почти мгновенном сдвиге географических полюсов, но по законам природы этого произойти физически не может.
Вывод: Вращение Земли вокруг Солнца приводит к смене времён года, благодаря постоянному наклону земной оси 23,5°
Вращение вокруг центра галактики
Земля и вся Солнечная система находятся в галактике, которую мы называем Млечный Путь. Такое название она получила из-за того, что то, что является нашей Галактикой на чистом небе за городом в безлунную ночь выглядит в виде светлой вытянутой полоски. Древним она напоминала разлившееся по небу молоко, что на самом деле является миллионами звёзд нашей галактики. Галактика на самом деле имеет спиральную форму и должна быть похожа на нашу ближайшую соседку - галактику туманность Андромеды (на фото. ). К сожалению, посмотреть на собственную галактику со стороны мы пока не можем, но современные расчёты и наблюдения показывают, что наша система находится скорее ближе к краю Млечного Пути в одном из его рукавов. Рукава спиральной галактики медленно вращаются вокруг её центра, вместе с ними вращаемся и мы. Полный оборот вокруг центра галактики Земля и вся Солнечная система делают за 225-250 миллионов лет. К сожалению, о следствиях этого вращения пока известно слишком мало, так как сознательная жизнь человечества на Земле измеряется тысячами лет, а серьёзные наблюдения ведутся всего несколько веков, однако, процессы, происходящие в галактике тоже каким-то образом должны влиять на жизнь нашей планеты, но это ещё только предстоит выяснить.
Суточное вращение Земли - вращение Земли вокруг своей оси с периодом в одни звёздные сутки , наблюдаемым проявлением чего является суточное вращение небесной сферы . Вращение Земли происходит с запада на восток . При наблюдении с Полярной звезды или северного полюса эклиптики вращение Земли происходит против часовой стрелки.
Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
V = (R e R p R p 2 + R e 2 t g 2 φ + R p 2 h R p 4 + R e 4 t g 2 φ) ω {\displaystyle v=\left({\frac {R_{e}\,R_{p}}{\sqrt {{R_{p}}^{2}+{R_{e}}^{2}\,{\mathrm {tg} ^{2}\varphi }}}}+{\frac {{R_{p}}^{2}h}{\sqrt {{R_{p}}^{4}+{R_{e}}^{4}\,\mathrm {tg} ^{2}\varphi }}}\right)\omega } , где R e {\displaystyle R_{e}} = 6378,1 км - экваториальный радиус, R p {\displaystyle R_{p}} = 6356,8 км - полярный радиус.
- Самолёт, летящий с этой скоростью с востока на запад (на высоте 12 км: 936 км/ч на широте Москвы , 837 км/ч на широте Санкт-Петербурга) в инерциальной системе отсчёта будет покоиться.
- Суперпозиция вращения Земли вокруг оси с периодом в одни звёздные сутки и вокруг Солнца с периодом в один год приводит к неравенству солнечных и звёздных суток: длина средних солнечных суток составляет ровно 24 часа, что на 3 минуты 56 секунд длиннее звёздных суток.
Физический смысл и экспериментальные подтверждения
Физический смысл вращения Земли вокруг оси
Поскольку любое движение является относительным, необходимо указывать конкретную систему отсчета , относительно которой изучается движение того или иного тела. Когда говорят, что Земля вращается вокруг воображаемой оси, имеется в виду, что она совершает вращательное движение относительно любой инерциальной системы отсчёта , причем период этого вращения равен звездным суткам - периоду полного оборота Земли (небесной сферы) относительно небесной сферы (Земли).
Все экспериментальные доказательства вращения Земли вокруг оси сводятся к доказательству того, что система отсчёта, связанная с Землей, является неинерциальной системой отсчёта специального вида - системой отсчета, совершающей вращательное движение относительно инерциальных систем отсчёта .
В отличие от инерциального движения (то есть равномерного прямолинейного движения относительно инерциальных систем отсчета), для обнаружения неинерциального движения замкнутой лаборатории не обязательно производить наблюдения над внешними телами, - такое движение обнаруживается с помощью локальных экспериментов (то есть экспериментов, произведенных внутри этой лаборатории). В этом смысле слова неинерциальное движение, включая вращение Земли вокруг оси, может быть названо абсолютным.
Силы инерции
Эффекты центробежной силы
Зависимость ускорения свободного падения от географической широты. Эксперименты показывают, что ускорение свободного падения зависит от географической широты : чем ближе к полюсу, тем оно больше. Это объясняется действием центробежной силы. Во-первых, точки земной поверхности, расположенные на более высоких широтах, ближе к оси вращения и, следовательно, при приближении к полюсу расстояние r {\displaystyle r} от оси вращения уменьшается, доходя до нуля на полюсе. Во-вторых, с увеличением широты угол между вектором центробежной силы и плоскостью горизонта уменьшается, что приводит к уменьшению вертикальной компоненты центробежной силы.
Это явление было открыто в 1672 году, когда французский астроном Жан Рише , находясь в экспедиции в Африке , обнаружил, что у экватора маятниковые часы идут медленнее, чем в Париже . Ньютон вскоре объяснил это тем, что период колебаний маятника обратно пропорционален квадратному корню из ускорения свободного падения, которое уменьшается на экваторе из-за действия центробежной силы.
Сплюснутость Земли. Влияние центробежной силы приводит к сплюснутости Земли у полюсов. Это явление, предсказанное Гюйгенсом и Ньютоном в конце XVII века, было впервые обнаружено Пьером де Мопертюи в конце 1730-х годов в результате обработки данных двух французских экспедиций, специально снаряженных для решения этой проблемы в Перу (под руководством Пьера Бугера и Шарля де ла Кондамина) и Лапландию (под руководством Алексиса Клеро и самого Мопертюи).
Эффекты силы Кориолиса: лабораторные эксперименты
Наиболее отчетливо этот эффект должен быть выражен на полюсах, где период полного поворота плоскости маятника равен периоду вращения Земли вокруг оси (звёздным суткам). В общем случае, период обратно пропорционален синусу географической широты , на экваторе плоскость колебаний маятника неизменна.
Гироскоп - вращающееся тело со значительным моментом инерции сохраняет момент импульса, если нет сильных возмущений. Фуко, которому надоело объяснять, что происходит с маятником Фуко не на полюсе, разработал другую демонстрацию: подвешенный гироскоп сохранял ориентацию, а значит медленно поворачивался относительно наблюдателя.
Отклонение снарядов при орудийной стрельбе. Другим наблюдаемым проявлением силы Кориолиса является отклонение траекторий снарядов (в северном полушарии вправо, в южном - влево), выстреливаемых в горизонтальном направлении. С точки зрения инерциальной системы отсчета, для снарядов, выстреливаемых вдоль меридиана , это связано с зависимостью линейной скорости вращения Земли от географической широты: при движении от экватора к полюсу снаряд сохраняет горизонтальную компоненту скорости неизменной, в то время как линейная скорость вращения точек земной поверхности уменьшается, что приводит к смещению снаряда от меридиана в сторону вращения Земли. Если выстрел был произведен параллельно экватору, то смещение снаряда от параллели связано с тем, что траектория снаряда лежит в одной плоскости с центром Земли, в то время как точки земной поверхности движутся в плоскости, перпендикулярной оси вращения Земли . Этот эффект (для случая стрельбы вдоль меридиана) был предсказан Гримальди в 40-х годах XVII в. и впервые опубликован Риччоли в 1651 г.
Отклонение свободно падающих тел от вертикали. ( ) Если скорость движения тела имеет большую вертикальную составляющую, сила Кориолиса направлена к востоку, что приводит к соответствующему отклонению траектории тела, свободно падающего (без начальной скорости) с высокой башни . При рассмотрении в инерциальной системе отсчета эффект объясняется тем, что вершина башни относительно центра Земли движется быстрее, чем основание , благодаря чему траектория тела оказывается узкой параболой и тело слегка опережает основание башни .
Эффект Этвёша. На низких широтах сила Кориолиса при движении по земной поверхности направлена в вертикальном направлении и её действие приводит к увеличению или уменьшению ускорения свободного падения, в зависимости от того, движется ли тело на запад или восток. Этот эффект назван эффектом Этвёша в честь венгерского физика Лоранда Этвёша , экспериментально обнаружившего его в начале XX века.
Опыты, использующие закон сохранения момента импульса. Некоторые эксперименты основаны на законе сохранения момента импульса : в инерциальной системе отсчёта величина момента импульса (равная произведению момента инерции на угловую скорость вращения) под действием внутренних сил не меняется. Если в некоторый начальный момент времени установка неподвижна относительно Земли, то скорость её вращения относительно инерциальной системы отсчета равна угловой скорости вращения Земли. Если изменить момент инерции системы, то должна измениться угловая скорость её вращения, то есть начнётся вращение относительно Земли. В неинерциальной системе отсчёта, связанной с Землёй, вращение возникает в результате действия силы Кориолиса. Эта идея была предложена французским учёным Луи Пуансо в 1851 г.
Первый такой эксперимент был поставлен Хагеном в 1910 г.: два груза на гладкой перекладине были установлены неподвижно относительно поверхности Земли. Затем расстояние между грузами было уменьшено. В результате установка пришла во вращение . Ещё более наглядный опыт поставил немецкий учёный Ханс Букка (Hans Bucka) в 1949 г. Стержень длиной примерно 1,5 метра был установлен перпендикулярно прямоугольной рамке. Первоначально стержень был горизонтален, установка была неподвижной относительно Земли. Затем стержень был приведен в вертикальное положение, что привело к изменению момента инерции установки примерно в 10 4 раз и её быстрому вращению с угловой скоростью, в 10 4 раз превышающей скорость вращения Земли .
Воронка в ванне.
Поскольку сила Кориолиса очень слаба, она оказывает пренебрежимо малое влияние на направление закручивания воды при сливе в раковине или ванне, поэтому в общем случае направление вращения в воронке не связано с вращением Земли. Лишь только в тщательно контролируемых экспериментах можно отделить действие силы Кориолиса от других факторов: в северном полушарии воронка будет закручена против часовой стрелки, в южном - наоборот .
Эффекты силы Кориолиса: явления в окружающей природе
Оптические эксперименты
В основе ряда опытов, демонстрирующих вращение Земли, используется эффект Саньяка : если кольцевой интерферометр совершает вращательное движение, то вследствие релятивистских эффектов во встречных лучах появляется разность фаз
Δ φ = 8 π A λ c ω , {\displaystyle \Delta \varphi ={\frac {8\pi A}{\lambda c}}\omega ,}где A {\displaystyle A} - площадь проекции кольца на экваториальную плоскость (плоскость, перпендикулярную оси вращения), c {\displaystyle c} - скорость света , ω {\displaystyle \omega } - угловая скорость вращения. Для демонстрации вращения Земли этот эффект был использован американским физиком Майкельсоном в серии экспериментов, поставленных в 1923-1925 гг. В современных экспериментах, использующих эффект Саньяка, вращение Земли необходимо учитывать для калибровки кольцевых интерферометров.
Существует ряд других экспериментальных демонстраций суточного вращения Земли .
Неравномерность вращения
Прецессия и нутация
История идеи суточного вращения Земли
Античность
Объяснение суточного вращения небосвода вращением Земли вокруг оси впервые было предложено представителями пифагорейской школы , сиракузянами Гикетом и Экфантом . Согласно некоторым реконструкциям, вращение Земли утверждал также пифагореец Филолай из Кротона (V век до н. э.). Высказывание, которое можно трактовать как указание на вращение Земли, содержится в Платоновском диалоге Тимей .
Однако о Гикете и Экфанте практически ничего неизвестно, и даже само их существование иногда подвергается сомнению . Согласно мнению большинства ученых, Земля в системе мира Филолая совершала не вращательное, а поступательное движение вокруг Центрального огня. В других своих произведениях Платон следует традиционному мнению о неподвижности Земли. Однако до нас дошли многочисленные свидетельства, что идею вращения Земли отстаивал философ Гераклид Понтийский (IV век до н. э.) . Вероятно, с гипотезой о вращении Земли вокруг оси связано ещё одно предположение Гераклида: каждая звезда представляет собой мир, включающий землю, воздух, эфир, причем всё это располагается в бесконечном пространстве. Действительно, если суточное вращение неба является отражением вращения Земли, то исчезает предпосылка считать звезды находящимися на одной сфере.
Примерно столетие спустя предположение о вращении Земли стало составной частью первой , предложенной великим астрономом Аристархом Самосским (III век до н. э.) . Аристарха поддержал вавилонянин Селевк (II век до н. э.) , также, как и Гераклид Понтийский , считавший Вселенную бесконечной. О том, что идея суточного вращения Земли имела своих сторонников ещё в I веке н. э., свидетельствуют некоторые высказывания философов Сенеки , Деркиллида, астронома Клавдия Птолемея . Подавляющее большинство астрономов и философов, однако, не сомневалось в неподвижности Земли.
Аргументы против идеи движения Земли имеются в произведениях Аристотеля и Птолемея . Так, в своем трактате О Небе Аристотель обосновает неподвижность Земли тем, что на вращающейся Земле брошенные вертикально вверх тела не могли бы упасть в ту точку, из которой началось их движение: поверхность Земли сдвигалась бы под брошенным телом . Другой довод в пользу неподвижности Земли, приводимый Аристотелем, основан на его физической теории: Земля является тяжелым телом, а для тяжелых тел свойственно движение к центру мира, а не вращение вокруг него.
Из сочинения Птолемея следует, что сторонники гипотезы вращения Земли на эти доводы отвечали, что и воздух и все земные предметы совершают движение вместе с Землей. По всей видимости, роль воздуха в этом рассуждении принципиально важна, поскольку подразумевается, что именно его движение вместе с Землей скрывает вращение нашей планеты. Птолемей на это возражает, что
находящиеся в воздухе тела всегда будут казаться отстающими… А если бы тела вращались вместе с воздухом как одно целое, то никакое из них не казалось бы опережающим другое или отстающим от него, но оставалось бы на месте, в полете и бросании оно не совершало бы отклонений или движений в другое место вроде тех, которые мы воочию видим совершающимися, и у них вообще не происходило бы замедления или ускорения, оттого что Земля не является неподвижной .
Средние века
Индия
Первым из средневековых авторов, высказавший предположение о вращении Земли вокруг оси, был великий индийский астроном и математик Ариабхата (кон. V - нач. VI вв.). Он формулирует её в нескольких местах своего трактата Ариабхатия , например:
Точно также, как человек на движущемся вперед корабле видит закрепленные объекты движущимися назад, так и наблюдатель… видит неподвижные звезды движущимися по прямой линии на запад .
Неизвестно, принадлежит ли эта идея самому Ариабхате или он её заимствовал у древнегреческих астрономов .
Ариабхату поддержал только один астроном, Пртхудака (IX век) . Большинство индийских ученых отстаивало неподвижность Земли. Так, астроном Варахамихира (VI в.) утверждал, что на вращающейся Земле летящие в воздухе птицы не могли бы вернуться к своим гнездам, а камни и деревья слетали бы с поверхности Земли. Выдающийся астроном Брахмагупта (VI в.) повторил также старый аргумент, что тело, упавшее с высокой горы, но смогло бы опуститься к её основанию. При этом он, однако, отверг один из доводов Варахамихиры : по его мнению, даже если бы Земля вращалась, предметы не могли бы оторваться от неё вследствие своей тяжести.
Исламский Восток
Возможность вращения Земли рассматривали многие ученые мусульманского Востока. Так, известный геометр ас-Сиджизи изобрел астролябию , принцип действия которой основан на этом предположении . Некоторые исламские ученые (имена которых до нас не дошли) даже нашли правильный способ опровержения основного довода против вращения Земли: вертикальности траекторий падающих тел. По существу, при этом был высказан принцип суперпозиции движений, согласно которому любое перемещение можно разложить на два или несколько составляющих: по отношению к поверхности вращающейся Земли падающее тело двигается по отвесной линии, но точка, являющаяся проекцией этой линии на поверхность Земли, переносится бы её вращением. Об этом свидетельствует знаменитый ученый-энциклопедист ал-Бируни , который сам, однако, склонялся к неподвижности Земли. По его мнению, если на падающее тело будет действовать какая-то дополнительная сила, то результат её действия на вращающейся Земле приведет к некоторым эффектам, которые на самом деле не наблюдаются .
Файл:Al-Tusi Nasir.jpeg
Насир ад-Дин ат-Туси
Среди ученых XIII-XVI веков, связанных с Марагинской и Самаркандской обсерваториями, развернулась дискуссия о возможности эмпирического обоснования неподвижности Земли. Так, известный астроном Кутб ад-Дин аш-Ширази (XIII-XIV вв.) полагал, что неподвижность Земли может быть удостоверена экспериментом. С другой стороны, основатель Марагинской обсерватории Насир ад-Дин ат-Туси полагал, что если бы Земля вращалась, то это вращение разделял бы слой воздуха, прилегающий к её поверхности, и все движения вблизи поверхности Земли происходили бы точно также, как если бы Земля была неподвижной. Он это обосновывал с помощью наблюдений комет: согласно Аристотелю , кометы являются метеорологическим явлением в верхних слоях атмосферы; тем не менее, астрономические наблюдения показывают, что кометы принимают участие в суточном вращении небесной сферы. Следовательно, верхние слои воздуха увлекаются вращением небосвода, поэтому и нижние слои также могут увлекаться вращением Земли. Таким образом, эксперимент не может дать ответ на вопрос о том, вращается ли Земля. Однако он оставался сторонником неподвижности Земли, поскольку это соответствовало философии Аристотеля.
Большинство исламских учёных более позднего времени (аль-Урди , аль-Казвини , ан-Найсабури , ал-Джурджани , ал-Бирджанди и другие) были согласны с ат-Туси, что все физические явления на вращающейся и неподвижной Землей проистекали бы одинаково. Однако роль воздуха при этом уже не считалась принципиальной: не только воздух, но и все предметы переносятся вращающейся Землей. Следовательно, для обоснования неподвижности Земли необходимо привлекать учение Аристотеля .
Особую позицию в этих спорах занял третий директор Самаркандской обсерватории Алауддин Али аль-Кушчи (XV в.), отвергавший философию Аристотеля и считавший вращение Земли физически возможным . В XVII веке к аналогичному выводу пришел иранский теолог и ученый-энциклопедист Баха ад-Дин ал-Амили . По его мнению, астрономы и философы не представили достаточных доказательств, опровергающих вращение Земли .
Латинский Запад
Подробное обсуждение возможности движения Земли широко содержится в сочинениях парижских схоластов Жана Буридана , Альберта Саксонского , и Николая Орема (вторая половина XIV в.). Важнейшим аргументом в пользу вращения Земли, а не неба, приведенным в их работах, является малость Земли по сравнению со Вселенной, что делает приписывание суточного вращения небосвода Вселенной в высшей степени противоестественным.
Однако все эти ученые в конечном итоге отвергли вращение Земли, хотя и на разных основаниях. Так, Альберт Саксонский полагал, что эта гипотеза не способна объяснить наблюдаемые астрономические явления. С этим справедливо не согласились Буридан и Орем , по мнению которых небесные явления должны происходить одинаково независимо от того, что совершает вращение, Земля или Космос. Буридан смог найти только один существенный довод против вращения Земли: стрелы, пускаемые вертикально вверх, падают вниз по отвесной линии, хотя при вращении Земли они, по его мнению, должны были бы отставать от движения Земли и падать к западу от точки выстрела.
Но даже и этот довод был отвергнут Оремом . Если Земля вращается, то стрела летит вертикально вверх и одновременно с этим движется на восток, будучи захваченная воздухом, вращающимся вместе с Землей. Таким образом, стрела должна упасть на то же место, откуда она была выпущена. Хотя здесь снова упоминается об увлекающей роли воздуха, в действительности он не играет особой роли. Об этом говорит следующая аналогия:
Подобным образом, если бы воздух был закрыт в движущемся судне, то человеку, окруженному этим воздухом, показалось бы, что воздух не движется… Если бы человек находился в корабле, движущемся с большой скоростью на восток, не зная об этом движении, и если бы он вытянул руку по прямой линии вдоль мачты корабля, ему бы показалось, что его рука совершает прямолинейное движение; точно так же, согласно этой теории, нам представляется, что такая же вещь происходит со стрелой, когда мы пускаем её вертикально вверх или вертикально вниз. Внутри корабля, движущегося с большой скоростью на восток, могут иметь место все виды движения: продольное, поперечное, вниз, вверх, во всех направлениях - и они кажутся точно такими же, как тогда, когда корабль пребывает неподвижным.
Далее Орем приводит формулировку, предвосхищающую принцип относительности :
Я заключаю, следовательно, что с помощью какого бы то ни было опыта невозможно продемонстрировать, что небеса имеют суточное движение и что Земля его не имеет.
Тем не менее, окончательный вердикт Орема о возможности вращения Земли был отрицательным. Основанием для такого вывода был текст Библии :
Однако до сих пор все поддерживают и я верю, что они [Небеса], а не Земля движется, ибо «Бог сотворил круг Земли, который не поколеблется», несмотря на все противоположные аргументы.
О возможности суточного вращения Земли упоминали и средневековые европейские ученые и философы более позднего времени, однако никаких новых аргументов, не содержавшихся у Буридана и Орема , добавлено не было.
Таким образом, практически никто из средневековых ученых так и не принял гипотезу о вращении Земли. Однако в ходе её обсуждения учеными Востока и Запада было высказано множество глубоких мыслей, которые потом будут повторены учеными Нового времени.
Эпоха Возрождения и Новое время
В первой половине XVI века увидели свет несколько сочинений, утверждавших, что причиной суточного вращения небосвода является вращение Земли вокруг оси. Одним из них был трактат итальянца Челио Кальканьини «О том, что небо неподвижно, а Земля вращается, или о вечном движении Земли» (написан около 1525 г., издан в 1544 г.). Он не произвел большого впечатления на современников, поскольку к тому времени уже был опубликован фундаментальный труд польского астронома Николая Коперника «О вращениях небесных сфер» (1543 г.), где гипотеза суточного вращения Земли у него стала частью гелиоцентрической системы мира , как у Аристарха Самосского . Свои мысли Коперник ранее изложил в небольшом рукописном сочинении Малый Комментарий (не ранее 1515 г.). Два года ранее основного труда Коперника вышло сочинение немецкого астронома Георга Иоахима Ретика Первое повествование (1541 г.), где популярно изложена теория Коперника.
В XVI веке Коперника полностью поддержали астрономы Томас Диггес , Ретик , Кристоф Ротман, Михаэль Мёстлин , физики Джамбатиста Бенедетти , Симон Стевин , философ Джордано Бруно , богослов Диего де Цунига . Некоторые учёные принимали вращение Земли вокруг оси, отвергая её поступательное движение. Такова была позиция немецкого астронома Николаса Реймерса, известного также как Урсус, а также итальянских философов Андреа Чезальпино и Франческо Патрици . Не совсем ясна точка зрения выдающегося физика Вильяма Гильберта , который поддержал осевое вращение Земли, но не высказывался по поводу её поступательного движения. В начале XVII века гелиоцентрическая система мира (включая вращение Земли вокруг оси) получила внушительную поддержку со стороны Галилео Галилея и Иоганна Кеплера . Наиболее влиятельными противниками идеи движения Земли в XVI - начале XVII века были астрономы Тихо Браге и Христофор Клавиус .
Гипотеза о вращении Земли и становление классической механики
По существу, в XVI-XVII вв. единственным аргументом в пользу осевого вращения Земли было то, что в этом случае отпадает надобность в приписывании звездной сфере огромных скоростей вращения, ведь ещё в античности уже было надежно установлено, что размер Вселенной значительно превышает размер Земли (этот аргумент содержался ещё у Буридана и Орема).
Против этой гипотезы высказывались соображения, основанные на динамических преставлениях того времени. Прежде всего, это вертикальность траекторий падающих тел . Появились и другие доводы, например, равная дальность стрельбы в восточном и западном направлениях. Отвечая на вопрос о ненаблюдаемости эффектов суточного вращения в земных экспериментах, Коперник писал:
Вращается не только Земля с соединенной с ней водной стихией, но также и немалая часть воздуха и все, что каким-либо образом сродно с Землёй, или уже ближайший к Земле воздух пропитанный земной и водной материей, следует тем же самым законам природы, что и Земля, или имеет приобретенное движение, которое сообщается ему прилегающей Землей в постоянном вращении и без всякого сопротивления
Таким образом, главную роль в ненаблюдаемости вращения Земли играет увлечение воздуха её вращением. Такого же мнения придерживались и большинство коперниканцев в XVI веке.
Сторонниками бесконечности Вселенной в XVI веке были также Томас Диггес , Джордано Бруно , Франческо Патрици - все они поддерживали гипотезу о вращении Земли вокруг оси (а первые двое - также вокруг Солнца). Кристоф Ротман и Галилео Галилей полагали звезды расположенными на разных расстояниях от Земли, хотя явно не высказывались по поводу бесконечности Вселенной. С другой стороны, Иоганн Кеплер отрицал бесконечность Вселенной, хотя и был сторонником вращения Земли.
Религиозный контекст споров о вращении Земли
Ряд возражений против вращения Земли был связан с её противоречиями тексту Священного Писания. Эти возражения были двух видов. Во-первых, некоторые места в Библии приводились в подтверждение того, что суточное движение совершает именно Солнце, например:
Восходит солнце и заходит солнце, и спешит к месту своему, где оно восходит .
В данном случае под удар попадало осевое вращение Земли, поскольку движение Солнца с востока на запад является частью суточного вращения небосвода. Часто в этой связи цитировался отрывок из книги Иисуса Навина :
Иисус воззвал к Господу в тот день, в который предал Господь Аморрея в руки Израилю, когда побил их в Гаваоне, и они побиты были пред лицем сынов Израилевых, и сказал пред Израильтянами: стой, солнце, над Гаваоном, и луна, над долиною Авалонскою !
Поскольку команда остановиться была дана Солнцу, а не Земле, отсюда делался вывод, что суточное движение совершает именно Солнце. Другие отрывки приводились в поддержку неподвижности Земли, например:
Ты поставил землю на твердых основах: не поколеблется она во веки и веки .
Эти отрывки считались противоречащими как мнению о вращении Земли вокруг оси, так и обращению вокруг Солнца.
Сторонники вращения Земли (в частности, Джордано Бруно , Иоганн Кеплер и особенно Галилео Галилей ) проводили защиту по нескольким направлениям. Во-первых, они указывали, что Библия написана языком, понятным простым людям, и если бы её авторы давали четкие с научной точки зрения формулировки, она не смогла бы выполнять свою основную, религиозную миссию . Так, Бруно писал:
Во многих случаях глупо и нецелесообразно приводить много рассуждений скорее в соответствии с истиной, чем соответственно данному случаю и удобству. Например, если бы вместо слов: «Солнце рождается и поднимается, переваливает через полдень и склоняется к Аквилону» - мудрец сказал: «Земля идет по кругу к востоку и, покидая солнце, которое закатывается, склоняется к двум тропикам, от Рака к Югу, от Козерога к Аквилону», - то слушатели стали бы раздумывать: «Как? Он говорит, что Земля движется? Что это за новости?» В конце концов они его сочли бы за глупца, и он действительно был бы глупцом .
Такого рода ответы давались в основном на возражения, касавшиеся суточного движения Солнца. Во-вторых, отмечалось, что некоторые отрывки Библии должны быть трактованы аллегорически (см. статью Библейский аллегоризм). Так, Галилей отмечал, что если Св. Писание целиком понимать буквально, то окажется, что у Бога есть руки, он подвержен эмоциям типа гнева и т. п. В целом, главной мыслью защитников учения о движении Земли было то, что наука и религия имеют разные цели: наука рассматривает явления материального мира, руководствуясь доводами разума, целью религии является моральное усовершенствование человека, его спасение. Галилей в этой связи цитировал кардинала Баронио , что Библия учит тому, как взойти на небеса, а не тому, как устроены небеса.
Эти доводы были сочтены католической церковью неубедительными, и в 1616 г. учение о вращении Земли было запрещено, а в 1631 г. Галилей был осужден судом инквизиции за его защиту. Однако за пределами Италии этот запрет не оказал существенного влияния на развитие науки и способствовал главным образом падению авторитета самой католической церкви.
Необходимо добавить, что религиозные доводы против движения Земли приводили не только церковные деятели, но и ученые (например, Тихо Браге ). С другой стороны, католический монах Паоло Фоскарини написал небольшое сочинение «Письмо о воззрениях пифагорейцев и Коперника на подвижность Земли и неподвижность Солнца и о новой пифагорейской системе мироздания» (1615 г.), где высказывал соображения, близкие к галилеевским, а испанский богослов Диего де Цунига даже использовал теорию Коперника для толкования некоторых мест Священного Писания (хотя впоследствии он изменил своё мнение). Таким образом, конфликт между богословием и учением о движении Земли был не столько конфликтом между наукой и религией как таковыми, сколько конфликтом между старыми (к началу XVII века уже устаревшими) и новыми методологическими принципами, полагаемыми в основу науки.
Значение гипотезы о вращении Земли для развития науки
Осмысление научных проблем, поднимаемых теорией вращающейся Земли, способствовало открытию законов классической механики и созданию новой космологии, в основе которой лежит представление о безграничности Вселенной. Обсуждавшиеся в ходе этого процесса противоречия между этой теорией и буквалистским прочтением Библии способствовали размежеванию естествознания и религии.
См. также
Примечания
- Пуанкаре, О науке , с. 362-364.
- Впервые этот эффект наблюдал
