Движение небесных тел. Законы Кеплера

Предмет: Физика
Тип работы: Реферат
Язык: Русский
Дата добавления: 15.08.2019

 

 

 

 

 

  • Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой выпускной квалификационной работой!
  • Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала для самостоятельной подготовки учебной работы.

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

 

По этой ссылке вы сможете найти много готовых рефератов по физике:

 

Много готовых рефератов по физике

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

Явление радуги с точки зрения физики
Виды источников искусственного освещения
Резонансные явления в движении небесных тел
Взаимодействие галактик и их движение


Введение:

Двумя наиболее значительными успехами классического естествознания, основанного на ньютоновской механике, были почти исчерпывающее описание наблюдаемого движения небесных тел и объяснение законов идеального газа, известных из эксперимента.

Законы Кеплера

Первоначально считалось, что Земля неподвижна, а движение небесных тел казалось очень сложным. Галилей был одним из первых, кто предположил, что наша планета не является исключением и движется вокруг Солнца.

Эта концепция была встречена с некоторой долей враждебности. Тихо Браге решил не участвовать в дискуссиях, а заняться прямыми измерениями координат тел на небесной сфере. Он посвятил этому всю свою жизнь, но не только не сделал никаких выводов из своих наблюдений, но даже не опубликовал результаты.

Позже данные Тихо пришли к Кеплеру, который нашел простое объяснение наблюдаемых сложных траекторий, сформулировав три закона движения планет (и Земли) вокруг Солнца): 

  1. Планеты движутся по эллиптическим орбитам, одним из фокусов которых является Солнце.
  2. Скорость движения планеты изменяется таким образом, что области, охватываемые ее радиус-вектором за равные промежутки времени, равны.
  3. Периоды обращения планет одной солнечной системы и полуоси их орбит связаны соотношением:

Движение небесных тел. Законы Кеплера.

Сложное движение планет на "небесной сфере", наблюдаемое с Земли, по словам Кеплера, возникло в результате сложения этих планет по эллиптическим орбитам с движением наблюдателя, который вместе с Землей совершает орбитальное движение вокруг Солнце и ежедневное вращение вокруг оси планеты.

Прямым свидетельством суточного вращения Земли стал эксперимент, поставленный Фуко, в котором плоскость колебаний маятника повернута относительно поверхности вращающейся Земли.

Закон всемирного тяготения

Законы Кеплера прекрасно описывают наблюдаемое движение планет, но не раскрывают причин, приводящих к такому движению (например, вполне можно считать, что причиной движения тел на кеплеровских орбитах была воля какого-то существа или стремление самих небесных тел к гармонии). Теория гравитации Ньютона указала причину, по которой движутся космические тела по законам Кеплера, правильно предсказала и объяснила особенности их движения в более сложных случаях, позволила описать в одних и тех же терминах многие явления космического и земного масштабов (движение звезд в скоплении галактик и падение яблока на поверхность Земли).

Ньютон нашел правильное выражение для гравитационной силы, возникающей в результате взаимодействия двух точечных тел (тел, размеры которых малы по сравнению с расстоянием между ними):

Движение небесных тел. Законы Кеплера

который вместе со вторым законом, если масса планеты m намного меньше массы звезды M, приводит к дифференциальному уравнению 

Движение небесных тел. Законы Кеплера,

допуская аналитическое решение. Не прибегая к каким-либо дополнительным физическим идеям, модно показать чисто математическими методами, что при соответствующих начальных условиях (достаточно малое начальное расстояние до звезды и скорость планеты) космическое тело будет вращаться по замкнутой устойчивой эллиптической орбите в полном согласии с законами Кеплера (в частности, второй закон Кеплера является прямым следствием закона сохранения момента импульса, который выполняется в гравитационных взаимодействиях, поскольку момент силы  относительно массивного центра всегда равен нулю). При достаточно высокой начальной скорости (ее значение зависит от массы звезды и исходного положения) космическое тело движется по гиперболической траектории, в конечном итоге удаляясь от звезды на бесконечно большое расстояние. 

Важным свойством закона гравитации является сохранение его математической формы при гравитационном взаимодействии неточечных тел при сферически-симметричном распределении их масс по объему. В этом случае роль R играет расстояние между центрами этих тел. 

Движение небесных тел при наличии возмущений. Строго говоря, законы Кеплера выполняются точно только в том случае, если только одно тело приближается к другому, которое имеет гораздо большую массу, при условии, что эти тела являются сферическими. При небольших отклонениях от сферической формы (например, из-за вращения звезды она может несколько «сгладиться»), орбита планеты больше не закрыта и представляет собой эллипс, прецессирующий вокруг звезды. 

Другим распространенным нарушением является гравитационное влияние планет одной звездной системы друг на друга. Кеплеровские орбиты устойчивы к слабым возмущениям, т. е. испытав воздействие от ближайшего летающего соседа, планета стремится вернуться к своей первоначальной траектории. При наличии сильных возмущений (проход массивного тела на короткое расстояние) проблема движения становится значительно более сложной и аналитическая не может быть решена. Численные расчеты показывают, что в этом случае траектории планет перестают быть эллипсами и являются незамкнутыми кривыми. 

Движение небесных тел. Законы Кеплера

Согласно третьему закону Ньютона, существует сила, действующая на звезду со стороны планет. При наличии двух тел соразмерных масс, притягиваемых друг к другу, возможно их устойчивое совместное движение по эллиптическим орбитам вокруг общего центра масс. Очевидно, что более массивное тело движется по орбите с меньшим радиусом. В случае планет, движущихся вокруг звезды, этот эффект едва заметен. однако в космосе были обнаружены системы, которые описывают движение двойных звезд. Численный расчет движения планет в двойной звездной системе показывает, что их орбиты существенно нестационарны, расстояние от планеты до звезд быстро меняется в очень широком диапазоне. Неизбежное быстрое изменение климата на планетах делает возможность биологической эволюции очень проблематичной. Появление технических цивилизаций на планетах двойных звездных систем еще менее вероятно, поскольку сложное непериодическое движение планет приводит к наблюдаемому движению тел по «небесной сфере», которое трудно расшифровать, что существенно усложняет формулировку законов Кеплера и, как следствие, развитие классической механики. 

Структура Солнечной системы

Хорошо известно, что основная часть солнечной системы (около 99,8%) приходится на ее единственную звезду Солнце. Общая масса планет составляет всего 0,13% от общей массы. Остальные тела системы (кометы, спутники планет, астероиды и метеориты) составляют только 0,0003% массы. Из приведенных рисунков следует, что законы Кеплера о движении планет в нашей системе должны выполняться очень хорошо. Значительные отклонения от эллиптических орбит могут произойти только в случае близкого (по сравнению с расстоянием до Солнца) полета мимо одной из планет: Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна или Плутона (это особенно актуально для самой массивной планеты Юпитер). Именно наблюдение возмущения на орбите Нептуна позволило предсказать, а затем обнаружить Плутон, самый отдаленный из известных планет нашей системы. 

Закон тяготения Ньютона и законы Кеплера позволяют нам связать размеры орбит планет с периодами вращения, но не позволяют вычислять сами орбиты. Еще в 18 веке была предложена эмпирическая формула для радиусов орбит планет солнечной системы: 

Движение небесных тел. Законы Кеплера ,

где Движение небесных тел. Законы Кеплера радиус орбиты Земли. В отличие от законов Кеплера, соотношение никоим образом не следует из законов Ньютона и еще не получило теоретического обоснования, хотя орбиты всех известных на сегодняшний день планет удовлетворительно описываются этой формулой. Единственным исключением является значение n = 3, для которого планета не существует на расчетной орбите. Вместо этого был обнаружен пояс астероидов из тел неправильной формы небольших планетарных масштабов. Эмпирические законы, которые не подтверждаются существующей теорией, могут играть положительную роль в исследованиях, поскольку они также отражают объективную реальность (возможно, в не совсем точной и даже несколько искаженной форме). 

Гипотеза о существовавшей ранее пятой планете Фаэтон, которая была разрушена гигантским гравитационным притяжением ее массивного соседа Юпитера, казалась привлекательной, но количественный анализ движения планеты-гиганта показал несостоятельность этого предположения. По-видимому, указанная проблема может быть решена только на основе полной теории происхождения и эволюции планет солнечной системы, которой пока не существует. Очень привлекательная теория совместного происхождения Солнца и планет из единого газового облака, сжатого гравитационными силами, противоречит наблюдаемому неравномерному распределению момента вращения (углового момента) между звездой и планетами. Обсуждаются модели происхождения планет в результате гравитационного захвата Солнцем тел, прибывающих из далекого космоса, эффектов, вызванных взрывом сверхновых. В большинстве «сценариев» развития Солнечной системы существование пояса астероидов так или иначе связано с его непосредственной близостью к самой массивной планете в системе. 

Известные в настоящее время свойства планет солнечной системы позволяют разделить их на две группы. Первые четыре земные планеты характеризуются относительно небольшими массами и высокой плотностью составляющих их веществ. Они состоят из расплавленного железного ядра, окруженного силикатной коркой. Планеты имеют газовые атомосферы. Их температура в основном определяется расстоянием до Солнца и уменьшается по мере его увеличения. Начиная с Юпитера, группа планет-гигантов в основном состоит из легких элементов (водорода и гелия), давление которых во внутренних слоях возрастает до огромных значений из-за гравитационного сжатия. В результате при приближении к центру газы постепенно переходят в жидкое и, возможно, твердое состояние. Предполагается, что давление в центральных областях настолько велико, что водород существует в металлической фазе, что еще не наблюдалось в Замле даже в лабораторных условиях. Планеты второй группы имеют большое количество спутников. У Сатурна такое большое число, что при недостаточном увеличении планета, похоже, окружена системой непрерывных колец. 

Проблема существования жизни на других планетах все еще вызывает повышенный интерес в псевдонаучных областях. В настоящее время можно с достаточной степенью уверенности утверждать, что жизнь на планетах солнечной системы (конечно, за исключением Земли) не существует в белковых формах, привычных для современного естествознания. Причиной этого, прежде всего, является малость физико-химического диапазона условий, допускающих возможность существования органических молекул и возникновения жизненно важных химических реакций с их участием (не слишком высокие и низкие температуры, узкий диапазон давлений), наличие кислорода и т. д.). Единственной планетой, кроме Земли, условия на которой явно не противоречат возможности существования белковой жизни, является Марс. Однако достаточно детальные исследования его поверхности с использованием межпланетных станций «Марс», «Марионер» и «Викинг» показали, что жизни на этих планетах не существует даже в виде микроорганизмов. 

Что касается вопроса о существовании небелковых форм внеземной жизни, его серьезному обсуждению должна предшествовать строгая формулировка наиболее обобщенной концепции жизни, но эта проблема еще не получила общепринятого удовлетворительного решения. (Казалось бы, открытие форм жизни, которые значительно отличаются от тех, которые знакомы нашему воображению, может вообще не вызывать какого-либо заметного интереса к ненаучной публике. Нетрудно представить создание компьютерных вирусов, которые могут размножаться в сетях и могут развиваться, гораздо сложнее представить реакцию на это в обществе, в отличие от раздражения пользователей, которые потеряли свои программы). 

Заключение

О природе гравитационных сил. Сформулированный Ньютоном закон всемирного тяготения принадлежит к фундаментальным законам классического естествознания. Методологической слабостью концепции Ньютона был его отказ обсуждать механизмы, приводящие к появлению гравитационных сил («Я не выдумываю гипотез»). После Ньютона были предприняты попытки создать теорию гравитации. Подавляющее большинство подходов связано с так называемыми гидродинамическими моделями гравитации, которые пытаются объяснить возникновение гравитационных сил механическими взаимодействиями массивных тел с промежуточным веществом, которому приписывается то или иное название: «эфир», «Поток гравитонов», «вакуум» и т. д.

Притяжение между телами возникает из-за разряда Среды, который возникает либо тогда, когда он поглощается массивными телами, либо когда они экранируют его потоки. Все эти теории имеют общий существенный недостаток: правильно предсказывая зависимость силы от расстояния, они неизбежно приводят к другому ненаблюдаемому эффекту: замедлению движения тел относительно введенного вещества. 

Принципиально новый шаг в развитии концепции гравитационного взаимодействия сделал А. Эйнштейн, создавший общую теорию относительности.