Почему луна не падает на землю? Почему Луна не падает на Землю

При созерцании ночного неба невольно задумываешься, почему на Землю не падает Луна, которая в несколько раз меньше самой планеты. Спутник предстает нашему взору в разных обличьях – в виде месяца, диска, полукруга, но продолжает оставаться на небе. В чем же секрет?

Наша планета – не единственный притягивающий объект

Ночное светило не улетает в открытый по причине земного притяжения. Согласно закону Ньютона, тело под воздействием этой силы падает. Однако со спутником нашей планеты этого не происходит потому, что на него влияет и другой объект – .

Получается, что планета и главное светило действуют на «промежуточное» космическое тело в двух противоположных направлениях. При этом сила, исходящая от Солнца, гораздо больше. Кроме этого, падение естественного спутника становится невозможным по причине его движения. Скорость немалая – 1 км/сек.

Если наша звезда сильней, почему Луна не падает на него

Неужели могущественное светило не может окончательно притянуть к себе сравнительно маленький объект? Может. Но решающую роль играет расстояние. Луна расположена гораздо ближе к нашей планете, чем к Солнцу. Разница в расстоянии уравновешивает притяжение двух космических тел.

Таково объяснение, почему на Землю не падает Луна. К слову, ученые выяснили, что ночное светило понемногу отдаляется от планеты, где мы живем. Расстояние между этими телами увеличивается незначительно – примерно на 4 см в год, которые ничтожно малы относительно человеческой жизни. Но с каждым сантиметром воздействие Земли на Луну уменьшается, а Солнце притягивает ее к себе все сильнее.

Из всего, можно сделать вывод, на ночное светило действует несколько сил (притяжения и центробежная), что приводит к уравновешиванию сил, от этого наш спутник не падает на нас и не улетает в космос. Впрочем, такие силы действуют на все объекты Солнечной системы, что приводит к «гармонии», которую довольно сложно сломать.

А пока мы можем легко наблюдать ночью и вечером привычный желтый диск. Царица ночи неизменно вращается вокруг нашего общего дома. Вместе же эта пара описывает траекторию вокруг центрального светила.

Здесь я решил сделать подборку ответов на самые каверзные вопросы о Луне. Пишите новые вопросы и свои ответы в комментариях внизу странички!

1. Почему Луна не падает на Землю?

По той же причине по которой все планеты не падают на Солнце - центробежная сила, возникающая при движении Луны вокруг Земли, компенсирует силу гравитации между Землей и Луной. Но если Луну остановить относительно Земли - она упадет.

2. Солнце притягивает Луну в 2,2 раза сильнее чем Земля. Почему же Луна не улетает от Земли к Солнцу?

Это происходит потому, что Луна и Земля двигаются вместе по орбите вокруг Солнца и центробежная сила возникающая при движении Луны вокруг Солнца компенсирует силу гравитации Солнца. Если к примеру убрать Землю, Луна будет вращаться вокруг Солнца практически по той же орбите по которой она вращается вместе с Землей вокруг Солнца.

3. Луна удаляется от Земли ежегодно примерно на 4см. Возможно это связано с тем, что Солнце притягивает Луну сильнее чем Земля?

Не совсем так. Удаление Луны от Земли - следствие приливного ускорения. Смысл явления следующий. Земля вращается вокруг своей оси с периодом сутки, тогда как Луна вращается вокруг Земли с периодом 27,3 суток. В результате гравитационное поле Земли подталкивает Луну (отдельные детали быстро вращающейся Земли увлекают за собой медленно летящую Луну), то есть отдает свою энергию движению Луны вокруг Земли. Эта энергия ускоряет Луну, а значит поднимает ее орбиту.

4. И что, Луна потом совсем улетит от Земли?

Далеко не улетит:) Отбирая энергию вращения Земли на подъем своей орбиты, Луна тормозит вращение Земли. Из-за этого Земля замедляет вращение вокруг своей оси и геостационарная орбита (то есть та орбита, на которой скорость полета спутника над планетой равна скорости вращения планеты) Земли поднимается. В конце концов Луна окажется на геостационарной орбите и наступит явление полной синхронизации при котором Луна и Земля будут смотреть друг-на-друга только одной стороной. Это устойчивое состояние и оно будет продолжаться миллиарды лет. И лишь в очень отдаленном будущем влияние нашего Солнца (или какого-то другого объекта) может затормозить взаимное вращение пары Луна-Земля и Луна упадет на Землю.

5. Американцы были на Луне или нет?

Согласно Закону всемирного тяготения Ньютона, все материальные объекты притягиваются друг к другу, с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Ну, особо не вдумывайтесь. Я знаю, как вы это делать не любите. Далее я все подробненько объясню! Итак, учтите, что когда вы подпрыгиваете, Земля притягивает вас обратно, тоже происходит и с Землей, вы тоже к себе ее притягиваете. Но этого не заметно, потому как ваша масса ничтожно мала по сравнению с массой земной!
Теперь давайте все уберем: воздух, Солнце, cпутники, прочие системы и объекты вселенной. Оставим только экспериментальные Луну и Землю!


Вы думаете, что в такой идеальной системе, Луна таки столкнется с Землей?
Ну в принципе, так и должно произойти, опираясь на вышеприведенный закон, Земля должна притянуть к себе Луну, Луна притянуть к себе Землю, и они объединятся в одно нечто! Но этого не происходит! Что-то мешает! Теперь добавим в нашу систему меня! Ну и еще, для наглядности дадим мне в руку камень! (так надо)


Заметьте, что я уже нахожусь на Земле, меня притянуло и никак не отцепиться от нее! А камень в моей руке все еще тянется к Земле, но я ему не даю притянуться... Злорадствую над Землей.
Итак, эксперимент:
Я запускаю камень со всей силы вдоль поверхности Земли!


Он пролетает какое-то расстояние и улетел бы, с радостью, в другую солнечную систему, если бы коварная Земля не начала его притягивать. Он не смог сопротивляться этому закону всемирного тяготения. От которого еще Ньютон пострадал. Наверняка яблоко ему неплохую шишку-то набило! Чтоб его...
Теперь этот камень я запускаю с еще большей силой... Ну, короче, со всей силой как запулил!


Он облетел чуть ли не большую половину Земли. Но все равно Земля оказалась сильнее и таки притянула его!
И что же вы думаете...
На этом я не успокоюсь, теперь камень я запустил со скоростью почти 8000 м/c.
Летит себе камень и думает: "Наконец я удаляюсь от этой здоровенной планеты... Или нет? ... АААААААА Она опять меня к себе притягивает...!"


Не успел я оглянуться, как мой камень летит ко мне в затылок... А если пригнусь? ... Очевидно, что полетит дальше на следующий виток!
Осталось только придать камню вторую космическую и увидим...


...Как камень покинет орбиту а возможно, и солнечную систему, если никто, конечно, другой его не притянет!
Вот так-то!
Солнце оказывается здесь и ни при чем! А Луна - это тот же камень, и если её притормозить, она непременно упадет на Землю!

Все в этом мире притягивается ко всему. И для этого не нужно обладать какими-то специальными свойствами (электрическим зарядом, участвовать во вращении, иметь размер не меньше какого-то.). Достаточно просто существовать, как существует человек или Земля, или атом. Тяготение или, как часто говорят физики, гравитация - самое универсальное взаимодействие. И все-таки: все притягивается ко всему. Но как именно? По каким законам? Как это ни удивительно, закон этот один, и причем, он один и тот же для всех тел во Вселенной - и для звезд, и для электронов.

1. Законы Кеплера

Ньютон утверждал, что между Землёй и всеми материальными телами существует сила тяготения, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния.

В XIV веке астроном из Дании Тихо Браге почти 20 лет наблюдал за движением планет и записывал их положения, и смог с наибольшей возможной в то время точностью определить их координаты в различные моменты времени. Его помощник, математик и астроном Иоганн Кеплер, проанализировал записи учителя и сформулировал три закона движения планет:

Первый закон Кеплера

Каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Форму эллипса степень его сходства с окружностью будет тогда характеризовать отношение: e=c/d , где c - расстояние от центра эллипса до его фокуса (половина меж фокусного расстояния); a - большая полуось. Величина e называется эксцентриситетом эллипса. При c = 0 и e = 0 эллипс превращается в окружность с радиусом a.

Второй закон Кеплера (Закон площадей)

Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём площадь сектора орбиты, описанная радиус-вектором планет, изменяется пропорционально времени.

Применительно к нашей Солнечной системе, с этим законом связаны два понятия: перигелий - ближайшая к Солнцу точка орбиты, и афелий - наиболее удалённая точка орбиты. Тогда можно утверждать, что планета движется вокруг Солнца неравномерно: имея линейную скорость в перигелие больше, чем в афелии.

Каждый год в начале января Земля, проходя через перигелий, движется быстрее; поэтому видимое перемещение Солнца по эклиптике к востоку также происходит быстрее, чем в среднем за год. В начале июля Земля, проходя афелий, движется медленнее, поэтому и перемещение Солнца по эклиптике замедляется. Закон площадей указывает, что сила, управляющая орбитальным движением планет, направлена к Солнцу.

Третий закон Кеплера (Гармонический закон)

Третий, или гармонический, закон Кеплера связывает среднее расстояние планеты от Солнца (a) с ее орбитальным периодом (t):

где индексы 1 и 2 соответствуют любым двум планетам.

Ньютон принял эстафету Кеплера. К счастью, от Англии 17-го века осталось немало архивов, писем. Проследим за рассуждениями Ньютона.

Надо сказать, что орбиты большинства планет мало отличаются от круговых. Поэтому будем считать, что планета движется не по эллипсу, а по окружности радиуса R - это не меняет сути вывода, но сильно упрощает математику. Тогда третий закон Кеплера (он остается в силе, ведь окружность - частный случай эллипса) можно сформулировать так: квадрат времени одного оборота по орбите (T2) пропорционален кубу среднего расстояния (R3) от планеты до Солнца:

T2=CR3 (экспериментальный факт).

Здесь С - некоторый коэффициент (постоянная - одна и та же для всех планет).

Т. к. время одного оборота T можно выразить через среднюю скорость движения планеты по орбите v: T=2(R/v, то третий закон Кеплера принимает следующий вид:

Или после сокращения 4(2 /v2=СR.

Теперь учтем, что согласно второму закону Кеплера движение планеты по круговой траектории происходит равномерно, т. е. с постоянной по величине скоростью. Из кинематики нам известно, что ускорение тела, движущегося по окружности с постоянной скоростью, будет чисто центростремительным и равным v2/R. А тогда сила, действующая на планету, по второму закону Ньютона будет равна

Выразим отношение v2/R из закона Кеплера v2/R=4(2 /СR2 и подставим его во второй закон Ньютона:

F= m v2/R=m4(2 /СR2 = k(m/R2), где к=4(2 /С - постоянная для всех планет величина.

Итак, для любой планеты сила, действующая на нее, прямо пропорциональна ее массе и обратно пропорциональна квадрату ее расстояния от Солнца:

Солнце - источник силы, действующей на планету, следует из первого закона Кеплера.

Но если Солнце притягивает планету с силой F, то и планета (по третьему закону Ньютона) должна притягивать Солнце с той же по величине силой F. Причем, эта сила по своей природе ничем не отличается от силы со стороны Солнца: она тоже гравитационная и, как мы показали, тоже должна быть пропорциональна массе (на сей раз - Солнца) и обратно пропорциональна квадрату расстояния: F=k1(M/R2), здесь коэффициент к1 - свой для каждой планеты (возможно, он даже зависит от ее массы!).

Приравнивая обе силы тяготения, мы получаем: km=k1M. Это возможно при условии, что k=(M, а k1=(m, т. е. при F=((mM/R2), где (- постоянная - одна и та же для всех планет.

Поэтому всемирная гравитационная постоянная (не может быть любой - при выбранных нами единицах величин - только такой, какой ее выбрала природа. Измерения дают примерное значение (= 6,7 х10-11 Н. м2/кг2.

2. Закон всемирного тяготения

Ньютон получил замечательный закон, описывающий гравитационное взаимодействие любой планеты с Солнцем:

Следствиями этого закона оказались все три закона Кеплера. Это было колоссальным достижением - найти (один!) закон, управляющий движением всех планет Солнечной системы. Если бы Ньютон ограничился только этим, мы все равно вспоминали бы его при изучении физики в школе и называли бы выдающимся ученым.

Ньютон был гением: он предположил, что тот же самый закон управляет гравитационным взаимодействием любых тел, он описывает поведение Луны, вращающейся вокруг Земли, и яблока, падающего на Землю. Это была удивительная мысль. Ведь общее мнение было - небесные тела движутся по своим (небесным) законам, а земные тела - по своим, “мирским” правилам. Ньютон предположил единство законов природы для всей Вселенной. В 1685 г. И. Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения:

Любые два тела (а точнее, две материальные точки) притягиваются по направлению друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Закон всемирного тяготения - один из лучших примеров, показывающих, на что способен человек.

Сила тяготения, в отличие от сил трения и упругих, не является контактной силой. Этой силе требуется соприкосновения двух тел, чтобы они гравитационно взаимодействовали. Каждое из взаимодействующих тел создает во всем пространстве вокруг себя гравитационное поле - такую форму материи, посредством которой тела гравитационно взаимодействуют друг с другом. Поле, созданное каким-то телом, проявляется в том, что действует на любое другое тело с силой, определяемой всемирным законом тяготения.

3. Перемещение Земли и Луны в пространстве.

Луна, естественный спутник Земли, в процессе своего движения в пространстве испытывает влияние главным образом двух тел - Земли и Солнца. Рассчитаем силу, с которой Солнце притягивает Луну, применив закон всемирного тяготения, получим, что солнечное притяжение в два раза сильнее земного.

Почему же Луна не падает на Солнце? Дело в том, что и Луна, и Земля обращаются вокруг общего центра масс. Общий центр масс Земли и Луны обращается вокруг Солнца. Где находится центр масс системы Земля - Луна? Расстояние от Земли до Луны составляет 384 000 км. Отношение массы Луны к массе Земли равно 1:81. Расстояния от центра масс до центров Луны и Земли будут обратно пропорциональны этим числам. Разделив 384 000 км на 81, получим примерно 4700 км. Значит, центр масс находится на расстоянии 4700 км от центра Земли.

* А чему равен радиус Земли?

* Около 6400 км.

* Следовательно, центр масс системы Земля - Луна лежит внутри земного шара. Поэтому, если не гнаться за точностью, можно говорить об обращении Луны вокруг Земли.

Перемещения Земли и Луны в пространстве и изменение их взаимного положения по "отношению к Солнцу показаны на схеме.

При двукратном преобладании солнечного притяжения над земным кривая движения Луны должна быть вогнутой по отношению к Солнцу во всех своих точках. Влияние близкой Земли, существенно превышающей по массе Луну, приводит к тому, что величина кривизны лунной гелиоцентрической орбиты периодически меняется.

Луна обращается вокруг Земли, удерживаемая силой притяжения. С какой силой Земля притягивает Луну?

Это можно определить по формуле, выражающей закон тяготения: F=G*(Mm/r2) где G - гравитационная постоянная, Mm - массы Земли и Луны, r - расстояние между ними. Сделав вычисление, мы пришли к тому, что Земля притягивает Луну с силой около 2-1020 Н.

Все действие силы притяжения Луны Землей выражается лишь в удержании Луны на орбите, в сообщении ей центростремительного ускорения. Зная расстояние от Земли до Луны и число оборотов Луны вокруг Земли, Ньютон определил центростремительное ускорение Луны, получилось уже известное нам число: 0,0027 м/с2. Хорошее соответствие расчетного значения центростремительного ускорения Луны с его действительным значением подтверждает предположение о единой природе силы, удерживающей Луну на орбите, и силы тяжести. Луну на орбите мог бы удержать стальной канат, имеющий диаметр около 600 км. Но, не смотря на такую огромную силу притяжения, Луна не падает на Землю.

Луна удалена от Земли на расстояние, равное примерно 60 земным радиусам. Следовательно, рассуждал Ньютон. Луна, падая с таким ускорением, должна бы приблизиться к Земле за первую секунду на 0,0013 м. Но Луна, кроме того, движется и по инерции в направлении мгновенной скорости, т. е. по прямой, касательной в данной точке к ее орбите вокруг Земли

Двигаясь по инерции, Луна должна удалиться от Земли, как показывает расчёт, за одну секунду на 1,3 мм. Разумеется, такого движения, при котором за первую секунду Луна двигалась бы по радиусу к центру Земли, а за вторую секунду – по касательной, в действительности не существует. Оба движения непрерывно складываются. В результате Луна движется по кривой линии, близкой к окружности.

Обращаясь вокруг Земли, Луна движется по орбите со скоростью 1 км/сек, т. е достаточно медленно, чтобы не покинуть свою орбиту и "улететь" в космос, но и достаточно быстро, чтобы не упасть на Землю. Можно сказать, что Луна упадет на Землю только в том случае, если не будет двигаться по орбите, т. е. если внешние силы (некая космическая рука) остановят Луну в ее движении по орбите, то она естественным образом упадет на Землю. Однако при этом выделится столько энергии, что говорить о падении Луны на Землю, как твердого тела не приходится. Из всего изложенного можно сделать вывод.

Луна падает, но не может упасть. И вот почему. Движение Луны вокруг Земли является результатом компромисса между двумя "желаниями" Луны: двигаться по инерции - по прямой (из-за наличия скорости и массы) и падать "вниз" на Землю (тоже из-за наличия массы). Можно сказать так: всемирный закон тяготения призывает Луну упасть на Землю, но закон инерции Галилея "уговаривает" ее вообще не обращать на Землю внимания. В результате получается нечто среднее - орбитальное движение: постоянное, без окончания, падение.

Почему Луна не падает на Солнце?

Луна падает на Солнце так же, как и на Землю, т. е. лишь настолько, чтобы оставаться примерно на одном расстоя-нии, обращаясь вокруг Солнца.

Вокруг Солнца обращается Земля вместе со своим спутником -- Луной, зна-чит, и Луна обращается вокруг Солнца.

Возникает такой вопрос: Луна не падает на Землю, потому что, имея на-чальную скорость, движется по инерции. Но по третьему закону Ньютона силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по величине и противопо-ложно направ-лены. Поэтому, с какой силой Земля притягивает к себе Луну, с такой же си-лой Луна притягивает Землю. Почему же Земля не падает на Луну? Или она тоже обращается вокруг Луны?

Дело в том, что и Луна, и Земля обращаются во-круг общего цен-тра масс, или, упрощая, можно сказать, вокруг общего центра тяжести. Вспом-ните опыт с ша-риками и центро-бежной машиной. Масса одного из шариков в два раза больше массы другого. Чтобы шарики, связанные ниткой, при вращ-е-нии остава-лись в равновесии относительно оси вращения, их расстоя-ния от оси, или центра вра-щения, должны быть обратно пропор-циональны массам. Точка, или центр, во-круг которого обраща-ются эти шарики, называется цен-тром масс двух ша-ри-ков.

Третий закон Ньютона в опыте с шариками не нарушается: силы, с кото-рыми шарики тянут друг друга к общему центру масс, равны. В системе Земля -- Луна общий центр масс обра-щается вокруг Солнца.

Можно ли силу, с которой Земля притягивает Лу-ну, назвать ве-сом Луны?

Нет, нельзя. Ве-сом тела мы назы-ваем вызванную притяжением Земли силу, с которой тело давит на какую-ни-будь опору: чашку весов, напри-мер, или растя-гивает пружину динамометра. Если подложить под Луну (со стороны, обра-щенной к Земле) подставку, то Луна на нее не будет давить. Не будет Луна рас-тягивать и пружину динамо-метра, если бы смогли ее подвесить. Все действие силы притяжения Луны Зем-лей выражается лишь в удержании Луны на ор-бите, в сообщении ей центро-стремительного ускорения. Про Луну можно сказать, что по отношению к Земле она неве-сома так же, как невесомы пред-меты в космическом корабле-спутнике, когда прекращается работа двигателя и на корабль действует только сила притяжения к Земле, но эту силу нельзя назы-вать весом. Все предметы, выпускаемые космонавтами из рук (авторучка, блокнот), не падают, а сво-бодно парят внутри кабины. Все тела, находящиеся на Луне, по отношению к Луне, конечно, весомы и упадут на ее поверхность, если не будут чем-нибудь удержи-ваться, но по от-ношению к Земле эти тела бу-дут невесомы и упасть на Землю не могут.

Есть ли центробежная сила в сис-теме Земля -- Луна, на что она дейст-вует?

В системе Земля -- Луна силы взаимного притяже-ния Земли и Луны равны и противоположно направлены, а именно к центру масс. Обе эти силы центрост-ремительные. Центробежной силы здесь нет.

Расстояние от Земли до Луны равно примерно 384 000 км. От-ношение массы Луны к массе Земли равно 1/81. Следовательно, расстояния от центра масс до центров Луны и Земли будут обратно пропорциональны этим числам. Разделив 384 000 км на 81, получим примерно 4 700 км. Значит, центр масс находится на расстоянии 4 700 км от центра Земли.

Радиус Земли равен Около 6400 км. Следовательно, центр масс системы Земля -- Луна лежит внутри земного шара. Поэтому, если не гнаться за точностью, можно говорить об обращении Луны вокруг Земли.

Легче улететь с Земли на Луну или с Луны на Землю, т.к. известно, для того чтобы ракета стала искусствен-ным спутником Земли, ей надо сообщить начальную скорость? 8 км/сек . Чтобы ракета вышла из сферы притяжения Земли, нужна так называемая вторая космическая скорость, равная 11,2 км/сек. Для запуска ракет с Луны нужна меньшая скорость т.к. сила тяже-сти на Луне в шесть раз меньше, чем на Земле.

Тела внутри ракеты становятся невесомыми с того момента, ко-гда прекра-щают работу двигатели и ракета будет свободно лететь по орбите во-круг Земли, находясь при этом в поле тяготения Земли. При свободном по-лете вокруг Земли и спутник, и все предметы в нем относительно центра массы Земли движутся с одинаковым центростремительным ускорением и по-тому не-весомы.

Как двигались не связанные ниткой шарики на центробежной машине: по ра-диусу или по касательной к окруж-ности? Ответ зависит от выбора системы от-счета, т. е. относитель-но какого тела отсчета мы будем рассматривать движение шари-ков. Если за систему отсчета принять поверхность стола, то шарики двигались по касательным к описываемым ими окруж-ностям. Если же принять за систему отсчета сам вращающийся прибор, то шарики двигались по радиусу. Без указания системы отсчета вопрос о движении вообще не имеет смысла. Дви-гаться -- значит перемещаться относительно других тел, и мы должны обя-за-тельно указать, относительно каких именно.