Луна издревле восхищает и завораживает человечество. На протяжении веков люди задаются вопросом: почему Луна, находясь так близко к Земле, не падает на нее?
Основные теории движения Луны
Изучение движения Луны началось еще в античные времена. Так, древнегреческий философ Аристотель считал, что Луна состоит из особого нетленного вещества - "квинтэссенции" и движется по круговой траектории, прикрепленная к одному из кристальных небесных сфер.
Современное понимание орбитального движения Луны основано на законах Ньютона. В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал свой труд «Математические начала натуральной философии», где описал закон всемирного тяготения. Согласно ему, любые массивные тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
F = G*(m1*m2)/r2
Где F - сила гравитационного притяжения, G - гравитационная постоянная, m1 и m2 - массы взаимодействующих тел, r - расстояние между их центрами масс.
Именно гравитационное поле Земли удерживает Луну на орбите и не дает ей упасть или улететь.
Теория происхождения Луны
Согласно современным представлениям, Луна образовалась около 4,5 млрд лет назад в результате гигантского столкновения протопланеты размером с Марс с Землей. Обломки выброшенного вещества сформировали Луну. При этом Луна унаследовала часть орбитального движения протопланеты вокруг Земли.
Таким образом, благодаря изначальному мощному импульсу, полученному при столкновении, Луна продолжает двигаться по орбите вокруг Земли уже миллиарды лет.
Характеристики орбиты Луны:
- Среднее расстояние от Земли - 384 400 км
- Период обращения - 27,3 суток
- Средняя орбитальная скорость - 1,023 км/с
- Наклон орбиты к эклиптике - 5,14°
- Эксцентриситет орбиты - 0,055
Благодаря этим параметрам орбиты гравитация Земли и инерция движения Луны уравновешены.
Центробежная сила и орбитальное движение
Ключевую роль в удержании Луны на орбите играет ее огромная кинетическая энергия, приобретенная в момент образования. Благодаря ей возникает центробежная сила, которая компенсирует гравитационное притяжение Земли.
Что такое центробежная сила
Центробежная сила возникает при движении тела по криволинейной траектории. Она направлена от центра движения по касательной к траектории.
Например, когда вы крутите ведро с водой над головой - вода не выливается, так как действует центробежная сила, прижимающая ее ко дну ведра.
Аналогично центробежная сила, возникающая при орбитальном движении Луны, постоянно стремится "вытолкнуть" ее из гравитационного поля Земли и не дает упасть на поверхность.
Уравновешивание гравитации
"почему луна не падает на землю кратко" - центробежная сила имеет такую же величину, как и гравитационное притяжение, но направлена в противоположную сторону. Поэтому эти силы компенсируют друг друга, и Луна остается на высоте.
На рисунке видно, что центростремительное ускорение ацс, вызванное гравитацией Земли, точно уравновешено центробежным ускорением ацб.
Кинетическая энергия поступательного движения Луны играет ключевую роль в возникновении центробежной силы:
- Е = mv2/2 , где Е - кинетическая энергия
- m - масса Луны 7.35 х 1022 кг
- v - линейная скорость движения по орбите ≈ 1 км/с
Подставляя численные значения, получаем огромную величину кинетической энергии орбитального движения Луны порядка 1029 Дж!
Согласно закону сохранения энергии, эта колоссальная кинетическая энергия изначального импульса Луны позволяет ей постоянно уравновешивать гравитацию и двигаться по орбите уже миллиарды лет.
Понятие орбиты на примере выстрела из пушки
Чтобы лучше представить, как устроена орбита Луны, рассмотрим мысленный эксперимент, предложенный Исааком Ньютоном.
Представим себе пушку, которая может стрелять горизонтально с вершины высокой горы. При выстреле пушка сообщает снаряду горизонтальную начальную скорость.
Снаряд, подчиняясь силе тяжести, начинает падать на Землю по параболической траектории. Чем выше начальная скорость снаряда, тем дальше он улетит по горизонтали, прежде чем упадет на Землю.
Существует критическая скорость выстрела, при которой снаряд будет падать ровно с таким ускорением, чтобы компенсировать изгиб земной поверхности. При этом снаряд будет двигаться по замкнутой орбите вокруг Земли.
Такую минимальную скорость для круговой орбиты называют первой космической. Для Луны на высоте орбиты она составляет ≈1,023 км/с, что Луна как раз и имеет.
Сравнение орбит Луны и искусственных спутников
"почему луна не падает на землю кратко" - в отличие от естественного спутника Луны, траектории искусственных спутников Земли неустойчивы. Со временем они теряют скорость и падают на Землю.
Это происходит под действием таких факторов, как:
- Сопротивление разреженных слоев атмосферы
- Неравномерность гравитационного поля Земли
- Гравитация Луны и Солнца
- Солнечный световой давление
В отличие от искусственных спутников, орбита Луны очень стабильна. Причина этого кроется в ее большой массе и соответствующему запасу кинетической энергии движения.
