Почему луна и земля не сталкиваются. Почему Луна не падает на Землю

Почему Луна не падает на Солнце?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Радиус Земли равен Около 6400 км. Следовательно, центр масс системы Земля -- Луна лежит внутри земного шара. Поэтому, если не гнаться за точностью, можно говорить об обращении Луны вокруг Земли.

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

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

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

Один древний грек, якобы Плутарх, изрёк: дескать, как только Луна замедлит свой бег, она тотчас упадёт на Землю, как камень, выброшенный из пращи. Это было сказано ещё тогда, когда падали звёзды, а не метеориты.

Веков так через семнадцать Галилей, вооружённый уже не только искусством разумных обобщений, но и телескопом, продолжил: Луна, мол, не замедляет свой бег потому, что движется по инерции, и движению этому, очевидно, ничто не препятствует. Сказал, как отрезал.

Ещё лет через двести свои три копейки вставил Ньютон: мол, уважаемые, если бы Луна двигалась только по инерции, она бы двигалась по прямой, давным-давно исчезнув в бездне Вселенной; Землю и Луну удерживает друг подле друга сила взаимного тяготения, принуждающая последнюю двигаться по окружности. Более того, говорил он, гравитация, являясь, скорее всего, первопричиной любого движения во Вселенной, способна на отдельных участках эллиптической (Кеплеровой) орбиты даже ускорять чуть замедлившийся бег Луны… Лет через сто Кавендиш с помощью свинцовых болванок и крутильных весов якобы доказал существование силы взаимного тяготения между небесными телами.

Вот и всё. Стало быть, это инерция и гравитация, принуждающие Луну двигаться по замкнутой орбите, и являются причинами, не позволяющими Луне упасть на Землю. Выходит, если гравитационная масса Земли вдруг увеличится, то Луна лишь отодвинется от неё на своей более высокой орбите за счёт увеличения скорости и пропорционально возрастающего эффекта центробежности. Но…

Никаких замкнутых орбит – круговых и эллиптических – быть у спутников планет не может. Сейчас мы посмотрим на совместное «падение» Земли и Луны на Солнце и убедимся в этом.

Итак, Земля и Луна совместно «падают» в гравитационном пространстве Солнца вот уже около 4-х миллиардов лет. При этом скорость Земли относительно Солнца – примерно 30 км/с, а Луны – 31. За 30 дней Земля проходит по своей траектории 77,8 млн. км (30 х 3600 х 24 х 30), а Луна – 80,3. 80,3 – 77,8 = 2,5 млн. км. Радиус орбиты Луны равен примерно 400000 км. Стало быть, длина окружности орбиты Луны – 400000 х 2 х 3,14 = 2,5 млн. км. Только в наших рассуждениях 2,5 млн. км - это уже «кривизна» почти прямой траектории Луны.

Масштабное отображение траекторий Земли и Луны может выглядеть и так: если в одной клетке будет 1 млн. км, то путь, пройденный Землёй и Луной за месяц, не уместится и во весь разворот тетрадки в клеточку, при этом максимальное удаление траектории Луны от траектории Земли в фазах полнолуния и новолуния будет равно всего 2-м миллиметрам.

Однако можно взять произвольной длины отрезок, означающий путь Земли, и нарисовать движение Луны за месяц. Движение Земли и Луны происходит справа налево, то есть против часовой стрелки. Если Солнце у нас где-то внизу рисунка, то в правой части рисунка мы точкой обозначим Луну в фазе полнолуния. Пусть Земля в это время будет точно под этой точкой. Через 15 дней Луна будет в фазе новолуния, то есть как раз посередине нашего отрезка и как раз под Землёй на рисунке. В левой части рисунка снова обозначаем точками положение Луны и Земли в фазе полнолуния.

Луна в течении месяца дважды пересекает траекторию Земли в так называемых узлах. Первый узел будет примерно в 7,5 сутках от фазы полнолуния. С Земли в это время видна как раз половинка лунного диска. Эта фаза называется первой четвертью, так как Луна к этому времени проходит четверть своего ежемесячного пути. Второй раз Луна пересекает траекторию Земли в последней четверти, то есть примерно в 7,5 сутках от фазы новолуния. Нарисовали?

Вот, что интересно: Луна в узле первой четверти находится на 400000 км впереди Земли, а в узле последней четверти – уже на 400000 км позади неё. Выходит, Луна «по верхнему гребню волны» движется с ускорением, а «по нижнему» - с замедлением; путь Луны от узла последней четверти до узла первой четверти на 800000 км длиннее.

Конечно, Луна в своём движении по «верхней дуге» ускоряется не самопроизвольно, это Земля своей гравитационной массой захватывает её и как бы перебрасывает через себя. Именно это свойство движущихся планет – захватывать и ускорять, увлекая за собой, – и используется для ускорения космических зондов при так называемом гравитационном маневре. Если же зонд пересекает путь планеты спереди от неё, то мы имеем гравитационный маневр с замедлением зонда. Всё просто.

Кульминация полнолуния повторяется через 29 суток 12 часов и 44 минуты. Это синодический период обращения Луны. Теоретически Луна должна проходить свой путь по орбите за 27 суток 7 часов и 43 минуты. Это сидерический период обращения, которого, на самом деле просто нет, как нет и замкнутой орбиты с определённой длиной окружности. Нестыковку в двое суток в учебниках объясняют перемещением Земли и Луны за месяц относительно круглого Солнца...

Итак, Ньютон «непадение» Луны на Землю объяснял её временными ускорениями при движении по эллиптической орбите. Мы, как думается, объяснили это ещё проще. А главное - правильнее и практичнее.

Помнится, Кеплер и Галилей дружно смеялись над "одержимостью округлённостью" орбит своих продвинутых современников: дескать, посмеёмся, мой Кеплер, великой глупости людской... Однако хорошо смеётся только тот, кто смеётся последним. Правда, смеяться над глупостью, попавшей в учебники, как-то не принято. И мы не будем.

Теперь - самое время ответить на непростой вопрос "Почему Луна к Земле всегда одним боком?". Ответ прост: потому что траектория движения Луны представляет собой не волну, а спираль с осью, находящейся на Земле.

Если один самолёт просто летит, а другой делает вокруг него "бочку", то с первого самолёта всегда видно только "брюхо" второго. При этом второй самолёт поочерёдно подставляется солнечным лучам всеми своими сторонами, если солнце где-то сбоку от них. Таким образом, смена светлого и тёмного времени суток происходит на Земле благодаря её суточному вращению, а на Луне день и ночь сменяются благодаря её движению по спиральной траектории.

Луна моментально упала бы на Землю, если бы была неподвижной. Но Луна не стоит на месте, она вращается вокруг Земли.

Вы можете убедиться в этом сами, проведя простой эксперимент. Привяжите к ластику нитку и начните ее раскручивать. Ластик на нитке будет прямо-таки вырываться из вашей руки, но нитка его не пустит. А теперь остановите вращение. Ластик тут же упадет.

Еще более наглядный пример-аналогия - чертово колесо. Люди не выпадают из этой карусели, когда находятся в высшей точке, даже несмотря на то, что находятся вниз головой, потому что центробежная сила, которая отбрасывает их наружу (притягивает к сиденью), больше, чем сила тяготения Земли. Скорость вращения чертова колеса специально рассчитывается, и если бы центробежная сила оказалась меньше, чем сила притяжения Земли, это закончилось бы катастрофой - люди выпадали бы из своих кабин.

Точно так же обстоит дело с Луной. Сила, которая не дает Луне "убежать" при вращении - это сила притяжения Земли . А сила, которая не дает Луне упасть на Землю - это центробежная сила, которая возникает при вращении Луны вокруг Земли. Обращаясь вокруг Земли, Луна движется по орбите со скоростью 1 км/сек, то есть достаточно медленно, чтобы не покинуть свою орбиту и "улететь" в космос, но и достаточно быстро, чтобы не упасть на Землю.

Между прочим...

Вы удивитесь, но на самом деле Луна... отдаляется от Земли со скоростью 3-4 см в год! Движение Луны вокруг Земли можно представить как медленно раскручивающуюся спираль. Причиной такой траектории Луны является Солнце, которое притягивает Луну в 2 раза сильнее, чем Земля.

Почему же тогда Луна не падает на Солнце? А потому что Луна вместе с Землей вращается, в свою очередь, вокруг Солнца, и притягательное действие Солнца без остатка тратится на то, чтобы постоянно переводить оба эти тела с прямого пути на искривленную орбиту.

При двукратном преобладании солнечного притяжения над земным кривая движения Луны должна быть вогнутой по отношению к Солнцу во всех своих точках. Влияние близкой Земли, существенно превышающей по массе Луну, приводит к тому, что величина кривизны лунной гелиоцентрической орбиты периодически меняется.

Схема перемещения Земли и Луны в пространстве и изменение их взаимного положения по отношению к Солнцу показаны на схеме.

Обращаясь вокруг Земли Луна движется по орбите со скоростью 1 км/сек, т.е достаточно медленно чтобы не покинуть свою орбиту и "улететь" в космос, но и достаточно быстро, чтобы не упасть на Землю . Прямо отвечая автору вопроса, можно сказать, что Луна упадет на Землю только в том случае, если не будет двигаться по орбите, т.е. если внешние силы (некая космическая рука) остановят Луну в ее движении по орбите, то она естественным образом упадет на Землю . Однако при этом выделится столько энергии, что говорить о падении Луны на Землю , как твердого тела не приходится.

И еще по движению Луны.

Для наглядности модель перемещения Луны в пространстве упрощают. При этом мы не потеряем математической и небесно-механической строгости, если, взяв за основу более простой вариант, не забудем учесть влияние многочисленных возмущающих движение факторов.

Предположив Землю неподвижной, можно представить Луну спутником нашей планеты, движение которого подчиняется законам Кеплера и происходит по эллиптической" орбите. Согласно подобной схеме среднее значение эксцентриситета лунной орбиты составляет е = 0,055. Большая полуось этого эллипса равна по величине среднему расстоянию, т. е. 384 400 км. В апогее при наибольшем удалении это расстояние увеличивается до 405 500 км, а в перигее (при наименьшем удалении) составляет 363300 км- Плоскость лунной орбиты наклонена к плоскости эклиптики на некоторый угол.

Выше приведена схема, поясняющая геометрический смысл элементов орбиты Луны.

Элементы орбиты Луны описывают среднее, невозмущенное движение Луны,

Однако влияние Солнца и планет приводит к тому, что орбита Луны изменяет свое положение в пространстве. Линия узлов движется в плоскости эклиптики в направлении, обратном движению Луны по орбите. Следовательно, значение долготы восходящего узла непрерывно меняется. Полный оборот линия узлов совершает за 18,6 года.

В статье рассказывается о том, почему Луна не падает на Землю, причины движения ее вокруг Земли и некоторые другие аспекты небесной механики нашей Солнечной системы.

Начало космической эры

Естественный спутник нашей планеты всегда привлекал к себе внимание. В древние времена Луна была предметом культа некоторых религий, а с изобретением примитивных телескопов первые астрономы не могли оторваться от созерцания величественных кратеров.

Чуть позже, с открытием в других областях астрономии, стало ясно, что подобный небесный спутник есть не только у нашей планеты, но и у ряда других. А у Юпитера, их целых 67 штук! Но наш лидирует по размеру во всей системе. Но почему Луна не падает на Землю? С чем связано ее движение по одной и той же орбите? Об этом мы и поговорим.

Небесная механика

Для начала, нужно разобраться с тем, что такое движение по орбите и почему оно происходит. Согласное определению, которым пользуются физики и астрономы, орбита — это движение в другого, значительно превосходящего по массе, объекта. Долгое время считалось, что орбиты планет и спутников имеют круговую форму как самую естественную и совершенную, но Кеплер после безуспешных попыток применить эту теорию на движение Марса, отверг ее.

Как известно из курса физики, любые два объекта испытывают взаимные так называемую гравитацию. Те же самые силы влияют на нашу планету и Луну. Но если они притягиваются, то почему Луна не падает на Землю,как было бы логичней всего?

Все дело в том, что и Земля не стоит на месте, а движется вокруг Солнца по эллипсу, как бы постоянно «убегая» от своего спутника. А тот, в свою очередь, имеют инерционную скорость, из-за чего путешествует по опять-таки эллиптической орбите.

Наиболее простой пример, который может объяснить данное явление, это мячик на веревке. Если раскрутить его, то будет удерживать объект в той или иной плоскости, а если сбавить обороты, то ее будет недостаточно и мячик упадет. Такие же силы воздействуют и Земли увлекает ее за собой, не давая стоять на месте, а центробежная сила, развитая в результате вращения, удерживает, не давая приблизиться на критическое расстояние.

Если на вопрос о том, почему Луна не падает на Землю, привести еще более простое объяснение, то причина этому — равное взаимодействие сил. Наша планета притягивает спутник, заставляя вращаться, а центробежная сила как бы отталкивает.

Солнце

Подобные законы действуют не только на нашу планету и спутник, им подчиняются и все остальные Вообще, гравитация — очень интересная тема. Движение планет вокруг часто сравнивают с часовым механизмом, настолько оно точное и выверенное. И главное, нарушить его крайне сложно. Даже если убрать из нее несколько планет, то остальные с очень большой вероятностью, перестроятся на новые орбиты, и коллапса с падением на центральную звезду не произойдет.

Но если наше светило оказывает такое колоссальное гравитационное воздействие даже на самые удаленные объекты, то почему Луна не падает на Солнце?Конечно, звезда находится на гораздо более далеком расстоянии, чем Земля, но и масса его, а значит и гравитация, на порядок выше.

Все дело в том, что и его спутник двигаются также по орбите вокруг Солнца, и последнее воздействует не по отдельности на Луну и Землю, а на их общий центр масс. И на Луну оказывается двойное влияние гравитации, — звезды и планеты, а вслед за ним и центробежной силы, которая уравновешивает их. А иначе все спутники и прочие объекты давно бы сгорели в жарком светиле. Именно таков ответ на частый вопрос о том, почему Луна не падает.

Движение Солнца

Еще стоит упомянуть такой факт, что Солнце также движется! А вместе с ним, и вся наша система, хотя мы и привыкли считать, что космическое пространство стабильное и неизменное, за исключением орбит планет.

Если смотреть более глобально, в рамках систем и целых их скоплений, то можно увидеть, что они также перемещаются по своим траекториям. В данном случае Солнце со своими «спутниками» вращается вокруг центра галактики Если условно представить эту картину сверху, то выглядит она как спираль со множеством ответвлений, которые называются галактические рукава. В одном из таких рукавов вместе с миллионами других звезд, движется и наше Солнце.

Падение

Но все же, если задаться таким вопросом и пофантазировать? Какие нужны условия, при которых Луна врежется в Землю или отправится в путешествие к Солнцу?

Произойти это может, если спутник перестанет вращаться вокруг главного объекта и пропадает центробежная сила, также если его орбиту что-то сильно изменит и добавит скорости, к примеру, столкновение с метеоритом.

Ну а к звезде она отправится, если целенаправленно каким-то образом остановить ее движение вокруг Земли и придать начальное ускорение к светилу. Но вероятнее всего, Луна просто постепенно встанет на новую искривленную орбиту.

Подведем итоги: Луна не падает на Землю, потому что, помимо притяжения нашей планеты, на нее воздействует и центробежная сила, которая ее как бы отталкивает. В результате два этих явления уравновешивают друг друга, спутник не улетает и не врезается в планету.