Как и с какой скоростью движется Земля? Вращение земли вокруг своей оси.

Вы сидите, стоите или лежите, читая эту статью, и не ощущаете, что Земля вращается вокруг своей оси с бешеной скоростью - примерно 1 700 км/ч на экваторе. Однако скорость вращения не кажется такой уж быстрой, если перевести ее в км/с. Получится 0,5 км/с - едва заметная вспышка на радаре, в сравнении с другими окружающими нас скоростями.

Так же, как и другие планеты Солнечной системы, Земля вращается вокруг Солнца. И чтобы удерживаться на своей орбите, она двигается со скоростью 30 км/с. Венера и Меркурий, находящиеся ближе к Солнцу, двигаются быстрее, Марс, орбита которого проходит за орбитой Земли, движется намного медленнее нее.

Но даже Солнце не стоит на одном месте. Наша галактика Млечный Путь - огромная, массивная и тоже подвижная! Все звезды, планеты, газовые облака, частицы пыли, черные дыры, темная материя - все это движется относительно общего центра масс.

По предположениям ученых, Солнце находится на расстоянии 25 000 световых лет от центра нашей галактики и двигается по эллиптической орбите, совершая полный оборот каждые 220–250 млн лет. Получается, что скорость Солнца - около 200–220 км/с, что в сотни раз выше скорости движения Земли вокруг оси и в десятки раз выше скорости ее движения вокруг Солнца. Вот так выглядит движение нашей Солнечной системы.

Стационарна ли галактика? Снова нет. Гигантские космические объекты обладают большой массой, а следовательно, создают сильные гравитационные поля. Дайте Вселенной немного времени (а оно у нас было - примерно 13,8 миллиардов лет), и все начнет двигаться в направлении наибольшего притяжения. Вот почему Вселенная не однородна, а представляет собой галактики и группы галактик.

Что это означает для нас?

Это означает, что Млечный Путь тянут к себе другие галактики и группы галактик, расположенные поблизости. Это означает, что доминируют в этом процессе массивные объекты. И это означает, что не только наша галактика, но и все окружающие испытывают влияние этих «тягачей». Мы все ближе подходим к пониманию того, что происходит с нами в космическом пространстве, но нам все еще не хватает фактов, например:

• каковы были начальные условия, при которых зародилась Вселенная;
• как различные массы в галактике двигаются и изменяются со временем;
• как образовывался Млечный Путь и окружающие галактики и скопления;
• и как это происходит сейчас.

Однако есть трюк, который поможет нам разобраться.

Вселенную наполняет реликтовое излучение с температурой 2,725 К, которое сохранилось со времен Большого Взрыва. Кое-где есть крошечные отклонения - около 100 мкК, но общий температурный фон постоянен.

Это происходит потому, что Вселенная образовалась в результате Большого Взрыва 13,8 миллиардов лет назад и до сих пор расширяется и охлаждается.

Через 380 000 лет после Большого Взрыва Вселенная охладилась до такой температуры, что стало возможным образование атомов водорода. До этого фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы: сталкивались с ними и обменивались энергией. По мере остывания Вселенной заряженных частиц стало меньше, а пространства между ними - больше. Фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве. Реликтовое излучение - это фотоны, которые были излучены плазмой в сторону будущего расположения Земли, но избежали рассеяния, так как рекомбинация уже началась. Они достигают Землю сквозь пространство Вселенной, которая продолжает расширяться.

Вы сами можете «увидеть» это излучение. Помехи, которые возникают на пустом канале телевизора, если вы используете простую антенну, похожую на заячьи уши, на 1% вызваны реликтовым излучением.

И все-таки температура реликтового фона не одинакова во всех направлениях. По результатам исследований миссии Planck, температура несколько различается в противоположных полушариях небесной сферы: она немного выше на участках неба южнее эклиптики - около 2,728 K, и ниже в другой половине - около 2,722 K.

Эта разница почти в 100 раз больше остальных наблюдаемых колебаний температуры реликтового фона, и это вводит в заблуждение. Почему так происходит? Ответ очевиден - эта разница происходит не из-за флуктуаций реликтового излучения, она появляется, потому что есть движение!

Когда вы приближаетесь к источнику света или он приближается к вам, спектральные линии в спектре источника смещаются в сторону коротких волн (фиолетовое смещение), когда отдаляетесь от него или он от вас - спектральные линии смещаются в сторону длинных волн (красное смещение).

Реликтовое излучение не может быть более или менее энергичным, значит, мы движемся сквозь пространство. Эффект Доплера помогает определить, что наша Солнечная система движется относительно реликтового излучения со скоростью 368 ± 2 км/с, а местная группа галактик, включающая Млечный Путь, галактику Андромеды и галактику Треугольника, движется со скоростью 627 ± 22 км/с относительно реликтового излучения. Это так называемые пекулярные скорости галактик, которые составляют несколько сотен км/с. Помимо них существуют еще космологические скорости, обусловленные расширением Вселенной и рассчитываемые по закону Хаббла.

Благодаря остаточному излучению от Большого Взрыва мы можем наблюдать, что во Вселенной постоянно все движется и изменяется. И наша галактика - лишь часть этого процесса.

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.

О каком движении пойдет речь?

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.

Кинематика вращения

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.

Линейная и угловая скорости

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).

Задача на вычисление скорости вращения вокруг своей оси Земли

Каждый знает, что наша планета в Солнечной системе совершает два вида вращательного движения:

• вокруг своей оси;
• вокруг звезды.

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.

Пятая по величине планета Солнечной системы – Земля, сформировавшаяся 4,54 млрд лет назад из протопланетарной пыли и газа, имеет форму не совсем правильного шара и вращается не только вокруг Солнца по орбите в форме слабовыраженного эллипса со средней скоростью равной приблизительно 108 тыс. км/час, но и вокруг своей собственной оси. Вращение происходит, если смотреть со стороны Северного полюса, в направлении с запада на восток или другими словами против часовой стрелки. Именно потому, что Земля вращается вокруг Солнца и в то же самое время вокруг своей собственной оси, абсолютно на всех участках данной планеты происходит периодическая смена дня и ночи, а также последовательная смена четырех времен года.

Среднее расстояние от Солнца до Земли составляет приблизительно 150 млн км, а разница между наименьшим и наибольшим расстоянием, равна приблизительно 4,8 млн км, при этом земная орбита меняет свой эксцентриситет очень незначительно, а цикл составляют 94 тыс. лет. Важным фактором, влияющим на климат Земли, является расстояние между ней и Солнцем. Имеются предположения, что ледниковый период на Земле наступил именно в то время, когда она находилась от Солнца на максимально возможном расстоянии.

«Лишний» день в календаре

Земля делает один оборот вокруг собственной оси примерно за 23 часа 56 минут, а один оборот вокруг Солнца происходит за 365 дней и 6 часов. Эта разница периодов постепенно накапливается и один раз в 4 года у нас в календаре появляется лишний день (29 февраля), и такой год называется високосным. Также на данный процесс оказывает определенное воздействие располагающаяся в непосредственной близости Луна, под действием гравитационного поля которой вращение Земли постепенно замедляется, а это свою очередь удлиняет сутки примерно на одну тысячную каждые 100 лет.

Грядут значительные климатические изменения

Смена времен года происходит вследствие наклона оси вращения Земли к орбите Солнца. Этот угол сейчас составляет 66° 33′. Притяжение других спутников и планет не меняет величину угла наклона земной оси, но заставляет Землю двигаться по круговому конусу — этот процесс называется прецессией. В данный момент положение оси Земли таково, что Северный полюс находится напротив Полярной звезды. В течение следующих 12 тыс. лет земная ось из-за воздействия прецессии сдвинется, и будет находиться напротив звезды Вега, что является только половиной пути (полный цикл прецессии равен 25800 лет), и вызовет очень значительные климатические изменения абсолютно на всей поверхности Земли.

Колебания, вызывающие изменение климата Земли

Дважды в месяц в момент прохождения над экватором и дважды в год, когда Солнце находится в этом же положении, притяжение прецессии уменьшается и становится равной нулю, после чего опять возрастает, т. е. темпы прецессии носят колебательный характер. Эти колебания носят название — нутация, максимального своего значения они достигают в среднем раз в 18,6 лет и по своему влиянию на климат занимают второе место после смены сезонов года.

Коротко в вращении Земли вокруг Солнца.

Ученые пришли к следующим выводам - скорость вращения земли падает. Это приводит к следующим последствия - день удлиняется. Если не вдаваться в подробности, то в северном полушарии светлая часть дня становится несколько длиннее, чем в зимний период. Но это толкование подходит только для непосвященных. Геофизики приходят к более глубинным выводам - дни увеличивают свои временные рамки не только в весенний период. Причина удлинения дня лежит, прежде всего, в воздействии Луны.

Сила притяжения естественного спутника земли, настолько велика, что она вызывает волнение в океанах, заставляя их колыхаться. Земля же при этом поступает по аналогии с фигуристками, которые для замедления вращения во время выполнения своей программ, выставляют руки. Именно из-за этого, спустя какое-то время в обычных земных сутках будет насчитываться на один час больше, чем мы привыкли. Один астроном из Великобритании пришел к заключению, что начиная с 700 года до нашей Эры наблюдается непрерывное замедление вращения Земли вокруг своей оси. Скорость вращения Земли он рассчитывал, опираясь на данные, сохранившиеся с тех времен -глиняные таблички и исторические свидетельства, в которых описываются лунные и солнечные затмения. Опираясь на них, ученый рассчитал положение Солнца и смог определить, какой тормозной путь проделывала наша планета относительно своей звезды. 530 млн. лет скорость вращения Земли была намного меньше, и в сутках был всего 21 час.

А динозавры, населявшие просторы нашей планеты сто миллионов лет назад уже жили при сутках в 23 часа. Это можно определить, изучая известковые отложения, которые оставляли кораллы. Их толщина зависит о того, какое время года присутствует на планете. На этом основании, можно достаточно точно определить - в каком промежутке друг от друга были весны. И продолжительность эта сокращается на всем продолжении существования нашей планеты. Пол миллиона лет назад наша планета осуществляда движение около оси быстрее, при этом, движение вокруг звезды остается постоянной величиной. Это означает то, что год за все эити миллионы лет остался прежним, в нем осталось столько же часов. Но дней в этом году было не 365, как сегодня, а 420. После появления человечества, эта тенденция не прекратила своего существования. Скорость вращения Земли вокруг своей оси постоянно замедляется. Journal for the History of Astronomy опубликовал статью, посвященную этому феномену в 2008 году.

Стефенсон, работающий в университете Дарема (Великобритания) для того, чтобы полностью увериться и подтвердить гипотезу, проанализировал сотни затмений, которые произошли за последние 2,7 тысячи лет. В глиняных табличках древнего Вавилона очень подробно описываются все небесные явления, зафиксированные при помощи клинописи. Ученые отмечали и время события и его точную дату. Еще одна особенность - полное солнечное затмение на Земле наблюдается не так часто всего один раз в 300 лет. В этот момент Солнце полностью скрывается за Землей и на нее опускается полная тьма на несколько минут. Очень часто древние ученые с большой точностью описывали и начало затмения и его окончание. И эти данные использовались современным астрономом для того, чтобы определить положение нашей звезды относительно Земли.

Перерасчет дат календаря времен Вавилона происходил по специально составленным таблицам, облегчавшим работу. Именно эти данные позволяют астрономам с большой точностью определить. Каким образом происходило торможение Земли. Правильные данные о ее положении относительно Солнца, позволяют определить ее позицию в тот момент, когда она проходит мимо Солнца. Траектория движения планеты вокруг Солнца находится в зависимости от движения вокруг собственной оси. Террестрическое время, которое выводится из этой зависимости, является независимой величиной. Это универсальное время - общепринятый показатель, который рассчитывается исходя из того, как земля вращается вокруг своей оси и в каком положении она находится относительно Солнца. Это универсальное время постоянно сдвигается назад, так как каждый год к году добавляется еще одна секунда, которая вызывается, как раз, процессом торможения Земли. И как оказалось, разница между террестричиским и универсальным временем становится все больше, в зависимости от такого, как давно происходило солнечное затмение. Это может означать только одно - каждое тысячелетие прибавляет к суткам целых 0,002 секунды. Эти данные подтверждаются и изменениями, проводимыми со спутниковых лабораторий, выведенных на орбиту земли.

Скорость замедления полностью соответствует расчетам, которые сделал ученый из Великобритании. И во то время, когда наблюдался расцвет цивилизации Вавилона, сутки на земле длились несколько меньше, разница с современным временем составляла 0,04 секунды. И это мизерное отклонение было вычислено Стефенсоном благодаря тому, что он смог сопоставить универсальное время и оценить накопленные в нем ошибки. Так как с 700 года до наших дней прошло около миллиона суток, то мы могли перевести свои электронные часы на 7 часов, столько времени было добавлено ко времени обращения Земли вокруг оси.

Последние годы для Земли стали исключением, за это время удлинения суток практически не происходит и Земля продолжает движение с неизменной скоростью. Массы, находящиеся внутри земли, возможно, стали компенсировать те колебания, которые вызывает влияние магнитного поля Луны. А ускорение движения планеты могло быть вызвано, к примеру, землетрясением в Аргентине 2004 года, после которого сутки укоротились на 8 миллионных секунды. Самые короткие сутки в истории были зафиксированы в 2003 году, когда в них не было и 24 часов (не хватило 1, 005 секунд). Международная служба, изучающая вращение Земли и геофизики пристально наблюдают за проблемой замедления скорости вращения земли и теми процессами, которые влияют на ее движение. Ведь это позволит дать ответы на многие глобальные вопросы, связанные со строением планеты и теми процессами, которые происходят в глубинных структурах - мантии и ядре. Что облегает исследовательскую и научную деятельность сейсмологов и геофизиков.

Независимо от того, что постоянные передвижения нашей планеты обычным образом неощутимы, разнообразные научные факты давно доказали, что планета Земля перемещается по своей, строго определенной траектории не только вокруг самого Солнца, но и вокруг собственной оси. Именно этим обуславливаются масса природных явлений, наблюдаемых людьми ежедневно, таких, например, как смена времени дня и ночи. Даже в данную секунду, читая эти строки, вы пребываете в постоянном движении, движении, которое обусловлено перемещением родной планеты.

Непостоянное движение

Интересно, что скорость самой Земли не является величиной постоянной, по причинам, которые ученым, к сожалению, до этого времени не удалось объяснить, однако, доподлинно известно, что каждый из веков Земля несколько замедляет скорость своего обычного вращения на величину, равную приблизительно 0,0024 секунды. Считается, что подобная аномалия напрямую связана с неким лунным притяжением, обуславливающим приливы и отливы, на которые и наша планета также расходует значимую долю своей собственной энергии, которая и «тормозит» ее индивидуальное вращение. Так называемые приливные выступы, движущиеся по обыкновению в направлении, противоположном ходу Земли, обуславливают возникновение неких сил трения, которые, в соответствии с законами физики, являются главным тормозящим фактором такой мошной космической системы, как Земля.

Конечно, никакой оси на самом деле нет, это воображаемая прямая, которая помогает производить расчеты.

За один час, считается, Земля совершает оборот в 15 градусов. За сколько она оборачивается вокруг оси полностью, догадаться нетрудно: 360 градусов - за одни сутки в 24 часа.

Сутки в 23 часа

Понятно, что Земля оборачивается вокруг своей собственной оси за привычные людям 24 часа - обыкновенные земные сутки, а точнее - за 23 часа минут и почти 4 секунды. Движение происходит неизменно с западной части на восточную и никак иначе. Нетрудно вычислить, что при таких условиях скорость на экваторе будет достигать около 1670 километров в час, постепенно снижаясь при приближении к полюсам, где плавно переходит к нулю.

Невооруженным глазом обнаружить вращение, совершаемое Землей со столь гигантской скоростью, нельзя, ведь вместе с людьми движутся и все окружающие предметы. Все планеты солнечной системы совершают подобные движения. Так, например, Венера имеет гораздо меньшую скорость движения, именно поэтому ее сутки отличаются от земных более чем в двести сорок три раза.

Самыми быстрыми из известных сегодня планет считаются Юпитер и планета Сатурн, совершающие свой полный поворот вокруг оси за десять и десять с половиной часов соответственно.

Нужно отметить, что вращение Земли вокруг своей оси - крайне интересный и непознанный факт, нуждающийся в дальнейшем пристальном изучении ученых всего мира.