ВВЕДЕНИЕ
Среди многочисленных небесных светил, изучаемых современной астрономией, особое место занимают планеты. Ведь все мы хорошо знаем, что Земля, на которой мы живем, является планетой, так что планеты-тела, в основном подобные нашей Земле.
Но в мире планет мы не встретим даже двух, совершенно похожих друг на друга. Разнообразие физических условий на планетах очень велико. Расстояние планеты от Солнца (а значит, и количество солнечного тепла, и температура поверхности), её размеры, напряжение силы тяжести на поверхности, ориентировка оси вращения, определяющая смену времён года, наличие и состав атмосферы, внутреннее строение и многие другие свойства различны у всех девяти планет Солнечной системы.
Говоря о разнообразии условий на планетах, мы можем глубже познать законы их развития и выяснить их взаимосвязь между теми или иными свойствами планет. Так, например, от размеров, массы и температуры планеты зависит её способность удерживать атмосферу того или иного состава, а наличие атмосферы в свою очередь влияет на тепловой режим планеты.
Как показывает изучение условий, при которых возможно зарождение и дальнейшее развитие живой материи, только на планетах мы можем искать признаки существования органической жизни. Вот почему изучение планет, помимо общего интереса, имеет большое значение с точки зрения космической биологии.
Изучение планет имеет большое значение, кроме астрономии, и для других областей науки, в первую очередь наук о Земле-геологии и геофизики, а также для космогонии-науки о происхождении и развитии небесных тел, в том числе и нашей Земли.
Основные дискуссии об устройстве мира развернулись в античности, между двумя философскими школами идеализма (Зенон, Платон) и материализма (Демокрит, Аристотель). Накопленный опыт и знания в последствии вылилось в развитие пространственно временных представлений в современной науке физике. В данной работе попытаемся наглядно рассмотреть что же из себя представляет время, пространство, материя и гравитация.
Актуальность: Человечество издревле задумывалось о том, как устроена Вселенная. Почему мы не можем летать? Сколько мы будем жить на других планетах? Последние, всегда особенно интересовало людей. Сейчас мы знаем, что причина всему – гравитация, а также движение и расположение планет. Что это такое, и почему данное явление настолько важно в масштабах Вселенной.
Гипотеза: если люди будут владеть информацией о гравитации и времени в планетах солнечной системы то это даст им возможность более развернуто изучать явления происходящие во Вселенной.
Цель работы: изучить гравитацию и время в планетах солнечной системы.
Задачи:
1. Изучить гравитацию и протекание времени на других планетах.
2. Вычислить вес и возраст человека на других планетах относительно земли, а также предоставить алгоритм нахождения.
3. Сформулировать выводы по выполненной работе.
Методы исследования:
Теоретический
Экспериментальный
Общенаучный
Объект: планеты солнечной системы.
Предмет исследования: гравитация и время.
Место исследования: СШГ № 12.
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.
§1 Что такое гравитация?
Сила тяжести, или гравитация, – это существующая между двумя частицами материи (или двумя объектами) сила притяжения, которая удерживает планеты на их орбитах вокруг Солнца или Луну на ее орбите вокруг Земли. (По мере увеличения расстояния между двумя объектами их гравитационное притяжение уменьшается.) Сила тяжести – это также та сила, которая удерживает любой предмет на Земле или на любом другом небесном теле, не позволяя ему улететь в космос. Чем больше объект, тем сильнее его гравитационное притяжение, и наоборот. Поскольку Луна намного меньше Земли, ее гравитационное притяжение составляет всего одну шестую гравитационного притяжения нашей планеты. Вот почему американские космонавты на Луне могли без особых усилий передвигаться большими прыжками.
Гравитацией объясняется также то, почему Земля – и другие планеты и небесные тела – имеют в общем круглую форму. Когда формировалась наша солнечная система, под действием гравитации стягивались вместе пыль и газы, летящие сквозь космос. Когда большое количество материи собирается одновременно в одном месте, такая материя образует шар, так как гравитация притягивает все к центральной точке. И все-таки Земля не идеально круглая. В процессе ее вращения вокруг своей оси возникает дополнительная сила, под действием которой Земля слегка «выпячивается» в срединной области.
Ученые выяснили, что все массивные тела испытывают взаимное притяжение друг к другу. Впоследствии оказалось, что эта таинственная сила обуславливает и движение небесных тел по их постоянным орбитам. Саму же теорию гравитации сформулировал гениальный Исаак Ньютон, чьи гипотезы предопределили развитие физики на много веков вперед. Развил и продолжил (хотя и в совершенно другом направлении) это учение Альберт Эйнштейн - один из величайших умов минувшего века.
На протяжении столетий ученые наблюдали за притяжением, пытались понять и измерить его. Наконец, в последние несколько десятилетий поставлено на службу человечеству (в определенном смысле, конечно же) даже такое явление, как гравитация. Что это такое, каково определение рассматриваемого термина в современной науке? Научное определение Если изучить труды древних мыслителей, то можно выяснить, что латинское слово «gravitas» означает «тяжесть», «притяжение». Сегодня ученые так называют универсальное и постоянное взаимодействие между материальными телами. Если эта сила сравнительно слабая и действует только на объекты, которые движутся значительно медленнее скорости света, то к ним применима теория Ньютона. Если же дело обстоит наоборот, следует пользоваться эйнштейновскими выводами.
Сразу оговоримся: в настоящее время сама природа гравитации до конца не изучена в принципе. Что это такое, мы все еще полностью не представляем. Теории Ньютона и Эйнштейна Согласно классическому учению Исаака Ньютона, все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массе, обратно пропорциональной квадрату того расстояния, которое пролегает между ними. Эйнштейн же утверждал, что тяготение между объектами проявляется в случае искривления пространства и времени (а кривизна пространства возможна только в том случае, если в нем имеется материя). Мысль эта была очень глубокой, но современные исследования доказывают ее некоторую неточность. Сегодня считается, что гравитация в космосе искривляет только лишь пространство: время можно затормозить и даже остановить, но реальность изменения формы временной материи теоретически не подтверждена. А потому классическое уравнение Эйнштейна не предусматривает даже шанса на то, что пространство будет продолжать влиять на материю и на возникающее магнитное поле.
Сила тяжести.
Силу гравитации, с которой Земля притягивает тело, находящееся на её поверхности или вблизи неё, называют силой тяжести. Эта сила направлена к центру Земли.
Сила гравитации Земли для нас является самой важной, поэтому ей и дано особое название.
Земля притягивает всё, что находится вокруг неё: твёрдые тела, жидкости, газы.
Из-за того, что есть сила тяжести, возможно существование атмосферы (молекулы газа не улетают в космос), воды морей и океанов удерживаются на своих местах, если какой-либо предмет приподнимают и роняют, этот предмет падает вниз, в направлении Земли.
Силу, с которой Земля притягивает тела, можно рассчитать по формуле
F=m⋅g,
где m — масса тела, а g — ускорение свободного падения.
Ускорение свободного падения — это ускорение, которое вблизи Земли приобретает тело, падающее свободно и беспрепятственно. Вблизи поверхности Земли значение g равно примерно 9,81 Н/кг, для приблизительных расчётов можно использовать значение 10 Н/кг.
Сила тяжести на других планетах
Представим себе, что мы отправляемся в путешествие по Солнечной системе. Какова сила тяжести на других планетах? На каких мы будем легче, чем на Земле, а на каких тяжелее?
Пока мы еще не покинули Землю, проделаем такой опыт: мысленно опустимся на один из земных полюсов, а затем представим себе, что мы перенеслись на экватор. Интересно, изменился ли наш вес?
Известно, что вес любого тела определяется силой притяжения (силой тяжести). Она прямо пропорциональна массе планеты и обратно пропорциональна квадрату ее радиуса (об этом мы впервые узнали из школьного учебника физики). Следовательно, если бы наша Земля была строго шарообразна, то вес каждого предмета при перемещении по ее поверхности оставался бы неизменным.
Но Земля - не шар. Она сплюснута у полюсов и вытянута вдоль экватора. Экваториальный радиус Земли длиннее полярного на 21 км. Выходит, что сила земного притяжения действует на экваторе как бы издалека. Вот почему вес одного и того же тела в разных местах Земли неодинаков. Тяжелее всего предметы должны быть на земных полюсах и легче всего - на экваторе. Здесь они становятся легче на 1/190 по сравнению с их весом на полюсах. Конечно, обнаружить это изменение веса можно только с помощью пружинных весов. Небольшое уменьшение веса предметов на экваторе происходит также за счет центробежной силы, возникающей вследствие вращения Земли. Таким образом, вес взрослого человека, прибывшего с высоких полярных широт на экватор, уменьшится в общей сложности примерно на 0,5 кг.
Следует заметить, что для планет-гигантов значения веса даны на уровне верхнего облачного слоя, а не на уровне твердой поверхности, как у земноподобных планет (Меркурия, Венеры, Земли, Марса) и у Плутона.
На поверхности Венеры человек окажется почти на 10% легче, чем на Земле. Зато на Меркурии и на Марсе уменьшение веса произойдет в 2,6 раза. Что же касается Плутона, то на нем человек будет в 2,5 раза легче, чем на Луне, или в 15,5 раза легче, чем в земных условиях.
А вот на Солнце гравитация (притяжение) в 28 раз сильнее, чем на Земле. Человеческое тело весило бы там 2 т и было бы мгновенно раздавлено собственной тяжестью. Впрочем, еще не достигнув Солнца, все превратилось бы в раскаленный газ. Другое дело - крошечные небесные тела, такие как спутники Марса и астероиды. На многих из них по легкости можно уподобиться... воробью!
Вполне понятно, что путешествовать по другим планетам человек может только в специальном герметичном скафандре, снабженном приборами системы жизнеобеспечения. Вес скафандра американских астронавтов, в котором они выходили на поверхность Луны, равен примерно весу взрослого человека. Поэтому приведенные нами значения веса космического путешественника на других планетах надо по меньшей мере удвоить. Только тогда мы получим весовые величины, близкие к действительным.
До изобретения телескопа было известно лишь семь планет: Меркурий, [link] , 1994.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1 Ускорения свободного падения планет солнечной системы
Ускорение свободного падения (g) Меркурий
3,6
Венера
8,5
Земля
9,8
Марс
3,76
Юпитер
26
Сатурн
11,2
Уран
9,4
Нептун
15
Приложение 2 Время полного оборота (по сравнению с Землей)
Время полного оборота(по сравнению с Землей) Меркурий
0, 241 земного года(87,9 земного дня)
Венера
0,615 земного года(224,7 земного дня)
Земля
1,0 земного года(365 земных дней)
Марс
1,88 земных лет (87,9 земных дней)
Юпитер
11,9 земных лет( 4343,5 земного дня)
Сатурн
29,5 земного года(10767,5 земного дня)
Уран
84,0 земных года(30660 земных дней
Нептун
164,8 земного года(60152 земных дня)
15
