Космические скорости
Любой предмет, будучи подброшенным вверх, рано или поздно оказывается на земной поверхности, будь то камень, лист бумаги или простое перышко. В то же время, спутник, запущенный в космос полвека назад, космическая станция или Луна продолжают вращаться по своим орбитам, словно на них вовсе не действует сила притяжения нашей планеты. Почему так происходит?
На нашей Земле всемирное тяготение воздействует на любое материальное тело. Тогда логично будет предположить, что есть некая сила, нейтрализующая действие гравитации. Эту силу принято называть центробежной.
Центробежную силу легко ощутить привязав на один конец нитки небольшой груз и раскрутив его по окружности. При этом чем больше скорость вращения тем сильнее натяжение нити, а чем медленнее вращаем мы груз тем больше вероятность, что он упадет вниз.
Траектория полета космических кораблей
Таким образом мы вплотную приблизились к понятию «космическая скорость». Простыми словами — это скорость, позволяющая любому объекту преодолеть тяготение небесного тела и их системы. Космические скорости используются для характеристики типа движения космического аппарата в сфере действия небесных тел: Солнца, Земли и Луны, других планет и их естественных спутников, а также астероидов и комет.
Это также значит, что космическая скорость есть у каждого объекта, который движется по орбите. Размер и форма орбиты космического объекта зависят от величины и направления скорости, которую данный объект получил на момент выключения двигателей, и высоты, на которой произошло данное событие.
Космическая скорость (первая v1, вторая v2, третья v3 и четвёртая v4) — это минимальная скорость, при которой какое-либо тело в свободном движении сможет:
- v1 — стать спутником небесного тела (то есть способность вращаться по орбите вокруг небесного тела и не падать на его поверхность);
- v2 — преодолеть гравитационное притяжение небесного тела и начать двигаться по параболической орбите;
- v3 — покинуть при запуске планету, преодолев притяжение Звезды;
- v4 — при запуске из планетной системы объект покинул Галактику.
Космические скорости могут быть рассчитаны для любого удаления от центра Земли. Однако в космонавтике часто используются величины, рассчитанные конкретно для поверхности шаровой однородной модели Земли радиусом 6371 км.
Первая космическая скорость
Первая космическая скорость или Круговая скорость V1 — скорость, которую необходимо придать объекту без двигателя, пренебрегая сопротивлением атмосферы и вращением планеты, чтобы вывести его на круговую орбиту с радиусом, равным радиусу планеты.
Иными словами, первая космическая скорость — это минимальная скорость, при которой тело, движущееся горизонтально над поверхностью планеты, не упадёт на неё, а будет двигаться по круговой орбите.
Формула
где G — гравитационная постоянная (6,67259·10−11 м³·кг−1·с−2), — первая космическая скорость. Подставляя численные значения (для Земли M = 5,97·1024 кг, R = 6 378 км), найдем
7,9 км/с
Первую космическую скорость можно определить через ускорение свободного падения —
Вторая космическая скорость
Вторая космическая скорость (параболическая скорость, скорость убегания) — наименьшая скорость, которую необходимо придать объекту (например, космическому аппарату), масса которого пренебрежимо мала относительно массы небесного тела (например, планеты), для преодоления гравитационного притяжения этого небесного тела.
Предполагается, что после приобретения телом этой скорости оно не получает негравитационного ускорения (двигатель выключен, атмосфера отсутствует).
Вторая космическая скорость определяется радиусом и массой небесного тела, поэтому она своя для каждого небесного тела (для каждой планеты) и является его характеристикой:
- для Земли вторая космическая скорость равна 11,2 км/с. Тело, имеющее около Земли такую скорость, покидает окрестности Земли и становится спутником Солнца.
- для Солнца вторая космическая скорость составляет 617,7 км/с.
- для Луны скорость убегания равна 2,4 км/с , несмотря на то, что в действительности для удаления тела на бесконечность с поверхности Луны необходимо преодолеть притяжение Земли, Солнца и Галактики.
Параболической вторая космическая скорость называется потому, что тела, имеющие вторую космическую скорость, движутся по параболе.
Формула
Для получения формулы второй космической скорости удобно обратить задачу — спросить, какую скорость получит тело на поверхности планеты, если будет падать на неё из бесконечности. Очевидно, что это именно та скорость, которую надо придать телу на поверхности планеты, чтобы вывести его за пределы её гравитационного влияния .
Третья космическая скорость
Третья космическая скорость — минимально необходимая скорость тела без двигателя, позволяющая преодолеть притяжение Солнца и в результате уйти за пределы Солнечной системы.
Только на космических кораблях, которым доступны такие скорости, принципиально могут быть осуществлены пилотируемые межзвёздные перелёты к планетным системам других звёзд.
Взлетая с поверхности Земли и наилучшим образом используя орбитальное движение планеты космический аппарат может достичь третей космической скорости уже при 16,6 км/с относительно Земли, а при старте с Земли в самом неблагоприятном направлении его необходимо разогнать до 72,8 км/с.
Здесь для расчёта предполагается, что космический аппарат приобретает эту скорость сразу на поверхности Земли и после этого не получает негравитационного ускорения (двигатели выключены и сопротивление атмосферы отсутствует). Если к тому же учесть притяжение других планет, которое может как ускорить, так и притормозить аппарат, то диапазон возможных значений 3-й космической скорости станет еще больше.
При наиболее энергетически выгодном старте скорость объекта должна быть сонаправлена скорости орбитального движения Земли вокруг Солнца. Орбита такого аппарата в Солнечной системе представляет собой параболу.
Четвёртая и пятая космическая скорости
Четвёртая космическая скорость — минимально необходимая скорость тела без двигателя, позволяющая преодолеть притяжение галактики Млечный Путь. Она используется довольно редко.
Четвёртая космическая скорость не постоянна для всех точек Галактики, а зависит от расстояния до центральной массы.
Для нашей галактики таковой является объект Стрелец A*, сверхмассивная чёрная дыра.
По грубым предварительным расчётам в районе нашего Солнца четвёртая космическая скорость составляет около 550 км/с. Значение сильно зависит не только (и не столько) от расстояния до центра галактики, а от распределения масс вещества по Галактике, о которых пока нет точных данных, ввиду того что видимая материя составляет лишь малую часть общей гравитирующей массы, а все остальное — скрытая масса.
Ещё реже в некоторых источниках встречается понятие «пятая космическая скорость». Это скорость, позволяющая добраться до иной планеты звездной системы вне зависимости от разности плоскостей эклиптики планет. Например, для Солнечной системы и, конкретно, для Земли, чтобы орбита межпланетного перелета была перпендикулярной к земной орбите, нужна скорость запуска 43,6 километра в секунду.
Видео
Источник
Скорость движения Земли в космосе
Чтобы понимать связь движения нашей планеты с природными процессами, нужно знать, с какой скоростью летит Земля в космосе. Знание этой величины также позволяет спрогнозировать будущее этого небесного тела.
Орбита Земли
Наша планета движется вокруг Солнца по эллиптической траектории, то приближаясь к светилу на 147 млн км (этот период приходится на январь каждого года), то отдаляясь. Максимально близкая к светилу точка называется перигелием. Через полгода Земля входит в афелий. В это время расстояние от нее до нашей звезды становится равным 152 млн км. За среднее расстояние принято число 150 млн км — это большая земная полуось.
Направление движения Земли по орбите — на восток. Если сравнивать с циферблатом, это соответствует значению «против часовой стрелки».
Полный оборот планеты вокруг условной оси, проходящей через центр Солнечной системы, длится чуть более, чем 365 суток 5 часов 48 минут. Этот период получил название астрономического года, он не совпадает с календарным, в котором для удобства содержится целое число дней.
Орбитальный путь составляет 942 млн км. Расчетным путем была найдена околосолнечная скорость движения нашей планеты — 29,8 км/с. Это среднее значение, т. к. в точках афелия и перигелия Земля немного замедляется, а потом снова ускоряется.
С какой скоростью Земля летит сквозь Вселенную
Все планеты нашей системы вращаются вокруг Солнца, но и само светило при этом не стоит на месте. Любой гигантский космический объект обладает большой массой и рождает сильное гравитационное поле, начинающее притягивать к себе соседей. Этим объясняется движение планеты в направлении границ ближайших созвездий Лиры и Геркулеса со скоростью 20 км/с.
Как часть Млечного Пути, Солнечная система вместе с остальными звездными и планетарными объектами нашей галактики, газовыми облаками, астероидами, кометами, черными дырами, частицами пыли и темной материей движется относительно общего центра масс. Эта условная точка галактики находится на расстоянии около 25 тыс. световых лет от нас. Солнце двигается вокруг нее по эллиптической орбите, 1 полный оборот (галактический год) продолжается 220-250 млн лет. Расчеты показывают, что скорость Солнца составляет около 220 км/с.
Но и сам Млечный Путь нестатичен:
- он и его соседка по Местной группе галактик Андромеда притягивают друг друга со скоростью примерно 100-150 км/с;
- находящаяся недалеко от нас крупная галактика М33 тоже движется в нашем направлении примерно с такой же скоростью;
- большое скопление Девы, находящееся в 15-20 световых годах от нас, настолько массивное, что притягивает Млечный Путь к себе со скоростью 400 км/сек.
Но и Андромеда, и М33, и состоящее не менее, чем из 1500 отдельных галактик скопление Девы тоже не являются стационарными объектами. Все они со скоростью 600 км/час движутся по направлению к Великому Аттрактору. Так называют условную точку, расположенную в глубинах Вселенной и состоящую из множества сверхскоплений, притягивающих к себе все окружающее.
Скорость Земли в космосе складывается из всех этих значений.
Что это означает для нас
Мы не замечаем движения нашей планеты, но, если бы Земля внезапно остановилась, это имело бы плачевные последствия. Наша орбита установилась под влиянием солнечного притяжения и собственного движения планеты. Увеличение в несколько раз первого параметра и/или уменьшение второго приведет к тому, что Земля упадет на Солнце. Обратная ситуация, где солнечная гравитация исчезнет или существенно уменьшится, а планета начнет двигаться сильнее — опасна тем, что мы по касательной улетим в открытое космическое пространство.
Источник
Как быстро Земля мчится через Вселенную?
Пока вы читаете эти строки, вероятнее всего, вы сидите и считаете себя неподвижным. Но мы-то знаем, что на космическом уровне мы постоянно движемся. Земля вращается вокруг своей оси, пронося нас через космос на скорости 1700 км/ч, если измерять, находясь на экваторе. Но это не так-то много, если перевести скорость в км/с. Земля вращается вокруг оси со скоростью 0,5 км/с, что не так-то и много, если сравнить с нашими другими способами перемещения.
Как и все планеты в нашей Солнечной системе, Земля вращается вокруг Солнца намного быстрее, чем вокруг своей оси. Чтобы поддерживать нас на стабильной орбите, Земля должна двигаться со скоростью порядка 30 км/с. Внутренние планеты — Меркурий и Венера — движутся быстрее, а внешние миры — Марс и другие — движутся медленнее. Так было в прошлом и будет в будущем, еще много-много лет.
Такова космическая история образования структур в нашей расширяющейся Вселенной. Что она означает для нас? Что Млечный Путь притягивается всеми другими галактиками, группами и скоплениями в наших окрестностях. Это означает, что самые близкие, самые массивные объекты на протяжении всей космической истории будут управлять нашим движением. И это означает, что не только наша галактика, но и все близлежащие галактики «собьются в поток» из-за этой гравитационной силы. Ученые составляют все более точную карту этого процесса, и мы постепенно приходим к пониманию нашего космического движения через космос.
- полный набор начальных условий, в которых родилась Вселенная;
- как каждая отдельная масса двигалась и развивалась со временем;
- как сформировались Млечный Путь и все сопряженные галактики, группы и кластеры;
- как все это происходило в каждой точке космической истории до текущего момента;
мы не сможем понять наше космическое движение по-настоящему. И уж точно без следующего трюка.
Куда мы ни посмотрим в космос, мы видим это: радиационный фон в 2,725 К, который остался от Большого Взрыва. В разных регионах встречаются крошечные несоответствия — на порядок в несколько сотен микрокельвинов или около того — но куда мы ни посмотрим (за исключением закрытой плоскости галактики, которую мы увидеть не можем), мы видим одну и ту же температуру: 2,725 К.
Причина этому в том, что Большой Взрыв произошел сразу везде в космосе, 13,8 миллиарда лет назад, и с тех пор Вселенная расширяется и остывает.
И когда это произошло, фотоны, путешествующие беспрепятственно, наконец начали врезаться во что-то. Их осталось так много — больше 400 на кубический сантиметр — что мы с легкостью можем их измерить. Даже ваши антенны на старых телевизорах улавливали космический микроволновый фон. Порядка 1% серого шума, этого мельтешения серо-белых пикселей, на телеэкране — это послесвечение Большого Взрыва. И если убрать в стороны микрокельвины расхождений, оно равномерное по всем направлениям.
«Горячая» сторона — это 2,728 К, а «холодная» — порядка 2,722 К. Такой большой перепад превосходит все остальные в 100 раз и легко может озадачить. Почему флуктуации в таких масштабах такие большие, если сравнивать с остальными?
Разгадка в том, что это не флуктуация микроволнового фона.
Подумайте, что еще может заставить свет — а реликтовое излучение это просто свет — быть горячее (или более энергичным) в одном направлении и холоднее (или менее энергичным) в другом? Движение.
Благодаря послесвечению Большого Взрыва мы не только знаем, что не находимся в особенном и привилегированном месте во Вселенной, но даже не неподвижны относительно главного события в нашем общем космическом прошлом. Мы движемся. И движение — это жизнь.
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
Астрономы Европейского космического агентства (ЕКА) опубликовали новую фантастическую фотографию глубокого космоса. На видимой площади снимка размером меньше…
Семья Плутона недавно стала немного больше: астрономы обнаружили новый мир шириной в 700 километров, летающий в поясе Койпера, диске ледяных объектов за пред…
Если вы недостаточно напуганы скоростью изменения климата на нашей планете, то последние исследования ученых точно доведут дело до конца. Основываясь на полу…
Источник