Земля робить оборот навколо сонця. Рухи Землі в просторі (навколо осі і Сонця)

Земля не стоїть на місці, а знаходиться в безперервному русі. Завдяки тому, що вона обертається навколо Сонця, на планеті відбувається зміна пір року. Однак не всі пам'ятають, що, облітаючи небесне світило, Земля ще встигає крутитися навколо своєї власної осі. Саме цей рух викликає за вікном зміну дня і ночі і називається добовим.

Розібратися, як і з якою швидкістю Земля обертається навколо Сонця і своєї осі, АіФ.ru допоміг астрофізик, співробітник Московського планетарію Олександр Перхняк.

Рух Землі навколо своєї осі

Як Земля обертається навколо своєї осі?

Під час обертання Землі навколо своєї осі залишаються нерухомими лише дві точки: Північний і Південний полюси. Якщо їх з'єднати уявною лінією, то вийде вісь, навколо якої обертається Земля. Земна вісь не перпендикулярність, а знаходиться під кутом 23,5 ° до земної орбіти.

З якою швидкістю Земля обертається навколо своєї осі?

Земля обертається навколо своєї осі зі швидкістю 465 м / с, або 1 674 км / ч. Чим далі від екватора, тим швидкість руху планети менше.

«Мало хто знає, що на видаленні від екватора швидкість обертання Землі стає менше. Наочно це виглядає наступним чином. Місто Кіто знаходиться поблизу лінії екватора, значить, він і його жителі непомітно для себе роблять разом із Землею поворот на швидкості 465 м / с. А ось швидкість обертання москвичів, які проживають набагато північніше екватора, буде майже в два рази менше: 260 м / с », - розповів Перхняк.

В який бік обертається Земля?

Земля обертається навколо своєї осі відбувається із заходу на схід. Якщо дивитися на Землю зверху в напрямку Північного полюса, то вона буде обертатися проти годинникової стрілки.

Чи змінюється швидкість руху Землі навколо своєї осі?

Так, змінюється. Щорічно хід Землі сповільнюється в середньому на 4 мілісекунди.

«Астрофізики пов'язують це явище з Місячним тяжінням, яке, як відомо, впливає на припливи і відливи на нашій планеті. Так ось, коли вони відбуваються, Місяць як би намагається притягнути воду до себе, рухаючи її в напрямку, протилежному ходу Землі. Через це своєрідного протидії на дні водойм виникає незначна сила тертя, яка, відповідно до законів фізики, уповільнює швидкість руху Землі. Незначно, всього на 4 мілісекунди в рік », - уточнив Перхняк.

Рух Землі навколо Сонця

Як Земля обертається навколо Сонця?

Навколо Сонця наша планета обертається по орбіті довжиною понад 930 млн км.

З якою швидкістю?

Земля обертається навколо Сонця зі швидкістю 30 км / c, тобто 107 218 км / ч.

За якийсь час Земля робить повний оборот навколо Сонця?

Один повний оборот навколо Сонця Земля робить приблизно за 365 діб. Проміжок часу, за який Земля повністю обертається навколо Сонця, називається роком.

В який бік рухається Земля, облітаючи Сонце?

Навколо Сонця Земля обертається із заходу на схід, як і навколо своєї осі.

На якій відстані Земля обертається навколо Сонця?

Земля обертається навколо Сонця на відстані близько 150 млн км.

Як змінюються пори року?

Під час обертання Землі навколо Сонця її кут нахилу не змінюється. В результаті на одній частині своєї траєкторії Земля буде більше повернена до Сонця своєю нижньою половиною: Південним півкулею, де настає літо. А в цей час Північний полюс буде практично прихований від сонця: значить туди приходить зима. Двічі на рік Сонце приблизно однаково висвітлює Північна і Південна півкулі: це час весни і осені. Ці моменти ще відомі як весняне й осіннє рівнодення.

Чому Земля не падає на Сонце?

«Коли Земля обертається навколо Сонця, виробляється відцентрова сила, яка намагається постійно відкинути нашу планету. Але у неї це не вийде. А все тому, що Земля завжди рухається навколо світила з однаковою швидкістю і знаходиться від нього на безпечній відстані, співвідносні з відцентровою силою, з якою Землю і намагаються вибити з орбіти. Ось чому Земля не падає на Сонце і не відлітає в космос, а продовжує рухатися по заданій траєкторії », - сказав Олександр Перхняк.

Наше планета перебуває в постійному русі, вона обертається навколо Сонця і своєї осі. Земна вісь - уявна лінія, проведена від Північного до Південного полюса (вони при обертанні залишаються без руху) під кутом в 66 0 33 ꞌ по відношенню до площини Землі. Люди не можуть помітити момент обертання, тому що всі предмети рухаються паралельно, їх швидкість така ж. Це виглядало б так само, як якщо б ми пливли на кораблі і не помічали рух предметів і об'єктів на ньому знаходяться.

Повний оберт навколо осі завершується протягом одних зоряної доби, що складаються з 23 годин 56 хвилин і 4 секунд. За цей проміжок то одна, то інша сторона планети повертається до Сонця, отримуючи від нього різну кількість тепла і світла. Крім цього обертання Землі навколо осі впливає на її форму (плескаті полюса - результат обертання планети навколо осі) і на відхилення при русі тіл в горизонтальній площині (річки, течії і вітру Південної півкулі відхиляються вліво, Північного - вправо).

Лінійна і кутова швидкість обертання

(обертання Землі)

Лінійна швидкість обертання Землі навколо осі - 465 м / с або 1674 км / год в зоні екватора, у міру віддалення від нього швидкість поступово сповільнюється, на Північному і Південному полюсах вона дорівнює нулю. Наприклад, для громадян екваторіального міста Кіто (столиця Еквадору в Південній Америці) швидкість обертання якраз 465 м / с, а для москвичів, які живуть на 55-й паралелі на північ від екватора, - 260 м / с (майже в два рази менше) .

Щорічно швидкість обертання навколо осі знижується на 4 мілісекунди, що пов'язано з впливом Місяця на силу морських і океанічних відливів і припливів. Тяжіння Місяця «тягне» воду в напрямку, протилежному до осьового обертання Землі, утворюючи незначну силу тертя, що сповільнює швидкість обертання на 4 мілісекунди. Швидкість кутового обертання залишається скрізь однаковою, її значення - 15 градусів за годину.

Чому день змінюється вночі

(Зміна дня і ночі)

Час повного оберту Землі навколо осі - одні зоряна доба (23 години 56 хвилин 4 секунди), за цей часовий проміжок освітлена Сонцем сторона спочатку знаходиться «у владі» дня, тіньова - ночі, а потім навпаки.

Якщо Земля оберталася б по іншому і одна її сторона була постійно повернена до Сонця, то там би була висока температура (до 100 градусів Цельсія) і вся вода б випарувалася, на інший би стороні - навпаки лютували морози і вода перебувала під товстим шаром льоду. І перші, і другі умови були б неприйнятні для розвитку життя і існування людського виду.

Чому змінюються пори року

(Зміна пір року на Землі)

Внаслідок того що вісь нахилена по відношенню до земної поверхні під певним кутом, її ділянки отримують в різний час різна кількість тепла і світла, що обумовлює зміну пір року. За астрономічним параметрам, необхідним для визначення пори року, за точку відліку беруть деякі моменти часу: для літа та зими це Дні сонцестояння (21 червня і 22 грудня), для весни та осені - Рівнодення (20 березня і 23 вересня). З вересня по березень Північна півкуля повернуто до Сонця меншу кількість часу і відповідно отримує менше тепла і світла, здрастуй зимушка-зима, Південна півкуля в цей час отримує багато тепла і світла, хай живе літо! Проходить 6 місяців і Земля переходить на протилежну точку своєї орбіти і вже Північна півкуля отримує більше тепла і світла, дні стають довшими, Сонце піднімається вище - настає літо.

Якби Земля була розташована по відношенню до Сонця виключно у вертикальному положенні, то пір року взагалі б не існувало, адже всі крапки на освітленій Сонцем половині отримували б однакове і рівномірну кількість тепла і світла.

П'ята за величиною планета Сонячної системи - Земля, що сформувалася 4,54 мільярда років тому з протопланетарного пилу і газу, має форму не зовсім правильного кулі і обертається не тільки навколо Сонця по орбіті в формі слабковираженого еліпса із середньою швидкістю рівною приблизно 108 тис. Км / годину, а й навколо своєї власної осі. Обертання відбувається, якщо дивитися з боку Північного полюса, в напрямку із заходу на схід або іншими словами проти годинникової стрілки. Саме тому, що Земля обертається навколо Сонця і в той же самий час навколо своєї власної осі, абсолютно на всіх ділянках даної планети відбувається періодична зміна дня і ночі, а також послідовна зміна чотирьох пір року.

Середня відстань від Сонця до Землі становить приблизно 150 млн км, а різниця між найменшим і найбільшим відстанню, дорівнює приблизно 4,8 млн км, при цьому земна орбіта змінює свій ексцентриситет дуже незначно, а цикл складають 94 тис. Років. Важливим фактором, що впливає на клімат Землі, є відстань між нею і Сонцем. Є припущення, що льодовиковий період на Землі настав саме в той час, коли вона перебувала від Сонця на максимально можливій відстані.

«Зайвий» день у календарі

Земля робить один оборот навколо власної осі приблизно за 23 години 56 хвилин, а один оборот навколо Сонця відбувається за 365 днів і 6 годин. Ця різниця періодів поступово накопичується і один раз в 4 роки у нас в календарі з'являється зайвий день (29 лютого), і такий рік називається високосним. Також на даний процес певним чином впливає розташована в безпосередній близькості Місяць, під дією гравітаційного поля якої обертання Землі поступово сповільнюється, а це свою чергу подовжує добу приблизно на одну тисячну кожні 100 років.

Настають значні кліматичні зміни

Зміна пір року відбувається внаслідок нахилу осі обертання Землі до орбіти Сонця. Цей кут зараз становить 66 ° 33 '. Тяжіння інших супутників і планет не змінює величину кута нахилу земної осі, але змушує Землю рухатися по круговому конусу - цей процес називається прецесією. В даний момент положення осі Землі таке, що Північний полюс знаходиться навпроти Полярної зірки. Протягом наступних 12 тис. Років земна вісь через вплив прецесії зрушиться, і буде знаходитися напроти зірки Вега, що є тільки половиною шляху (повний цикл прецесії дорівнює 25800 років), і викличе дуже значні кліматичні зміни абсолютно на всій поверхні Землі.

Коливання, що викликають зміну клімату Землі

Двічі на місяць в момент проходження над екватором і двічі в рік, коли Сонце знаходиться в цьому ж положенні, тяжіння прецесії зменшується і стає рівною нулю, після чого знову зростає, т. Е. Темпи прецесії носять коливальний характер. Ці коливання носять назву - нутація, максимального свого значення вони досягають в середньому раз в 18,6 років і за своїм впливом на клімат займають друге місце після зміни сезонів року.

Коротко в обертанні Землі навколо Сонця.

V = (R e R p R p 2 + R e 2 tg 2 φ + R p 2 h R p 4 + R e 4 tg 2 φ) ω (\ displaystyle v = \ left ((\ frac (R_ (e) \, R_ (p)) (\ sqrt ((R_ (p)) ^ (2) + (R_ (e)) ^ (2) \, (\ mathrm (tg) ^ (2) \ varphi)))) + (\ frac ((R_ (p)) ^ (2) h) (\ sqrt ((R_ (p)) ^ (4) + (R_ (e)) ^ (4) \, \ mathrm (tg) ^ (2) \ varphi))) \ right) \ omega), де R e (\ displaystyle R_ (e))= 6378,1 км - екваторіальний радіус, R p (\ displaystyle R_ (p))= 6356,8 км - полярний радіус.

• Літак, що летить з цією швидкістю зі сходу на захід (на висоті 12 км: 936 км / год на широті Москви, 837 км / год на широті Санкт-Петербурга) в інерціальній системі відліку буде спочивати.
• Суперпозиція обертання Землі навколо осі з періодом в одні зоряні добу і навколо Сонця з періодом в один рік призводить до нерівності сонячних і зоряної доби: довжина середньої сонячної доби становить рівно 24 години, що на 3 хвилини 56 секунд довше зоряної доби.

Фізичний сенс і експериментальні підтвердження

Фізичний сенс обертання Землі навколо осі

Оскільки будь-який рух є відносним, необхідно вказувати конкретну систему відліку, щодо якої вивчається рух того чи іншого тіла. Коли говорять, що Земля обертається навколо уявної осі, мається на увазі, що вона робить обертовий рух щодо будь-інерціальної системи відліку, причому період цього обертання дорівнює зоряним діб - періоду повного обороту Землі (небесної сфери) щодо небесної сфери (Землі).

Всі експериментальні докази обертання Землі навколо осі зводяться до доказу того, що система відліку, пов'язана із Землею, є неінерціальної системою відліку спеціального виду - системою відліку, здійснює обертальний рух щодо інерційних систем відліку.

На відміну від інерційного руху (тобто рівномірного прямолінійного руху щодо інерційних систем відліку), для виявлення неінерціальна руху замкнутої лабораторії не обов'язково проводити спостереження над зовнішніми тілами, - такий рух виявляється за допомогою локальних експериментів (тобто експериментів, проведених всередині цієї лабораторії). У цьому сенсі слова неінерціальна рух, включаючи обертання Землі навколо осі, може бути названо абсолютним.

сили інерції

Ефекти відцентрової сили

Залежність прискорення вільного падіння від географічної широти.Експерименти показують, що прискорення вільного падіння залежить від географічної широти: чим ближче до полюса, тим воно більше. Це пояснюється дією відцентрової сили. По-перше, точки земної поверхні, розташовані на більш високих широтах, ближче до осі обертання і, отже, при наближенні до полюса відстань r (\ displaystyle r)від осі обертання зменшується, доходячи до нуля на полюсі. По-друге, зі збільшенням широти кут між вектором відцентрової сили і площиною горизонту зменшується, що призводить до зменшення вертикальної компоненти відцентрової сили.

Це явище було відкрито в 1672 році, коли французький астроном Жан Ріше, перебуваючи в експедиції в Африці, виявив, що біля екватора маятниковий годинник йде повільніше, ніж в Парижі. Ньютон незабаром пояснив це тим, що період коливань маятника обернено пропорційний квадратному кореню з прискорення вільного падіння, яке зменшується на екваторі через дії відцентрової сили.

Декомпозиція Землі.Вплив відцентрової сили призводить до сплюснутости Землі біля полюсів. Це явище, передбачене Гюйгенсом і Ньютоном в кінці XVII століття, було вперше виявлено П'єром де Мопертюї в кінці 1730-х років в результаті обробки даних двох французьких експедицій, спеціально споряджених для вирішення цієї проблеми в Перу (під керівництвом П'єра Бугера і Шарля де ла Кондамін ) і Лапландію (під керівництвом Алексіса Клеро і самого Мопертюи).

Ефекти сили Коріоліса: лабораторні експерименти

Найбільш виразно цей ефект повинен бути виражений на полюсах, де період повного повороту площині маятника дорівнює періоду обертання Землі навколо осі (зоряним діб). У загальному випадку, період обернено пропорційний синусу географічної широти, на екваторі площину коливань маятника незмінна.

гіроскоп- тіло, що обертається зі значним моментом інерції зберігає момент імпульсу, якщо немає сильних збурень. Фуко, якому набридло пояснювати, що відбувається з маятником Фуко нема на полюсі, розробив іншу демонстрацію: підвішений гіроскоп зберігав орієнтацію, а значить повільно повертався щодо спостерігача.

Відхилення снарядів при гарматної стрільби.Іншим спостережуваним проявом сили Коріоліса є відхилення траєкторій снарядів (в північній півкулі вправо, у південному - вліво), вистрілює в горизонтальному напрямку. З точки зору системи відліку, для снарядів, вистрілює уздовж меридіана, це пов'язано із залежністю лінійної швидкості обертання Землі від географічної широти: при русі від екватора до полюса снаряд зберігає горизонтальну компоненту швидкості незмінною, в той час як лінійна швидкість обертання точок земної поверхні зменшується , що призводить до зміщення снаряда від меридіана в бік обертання Землі. Якщо постріл був зроблений паралельно екватору, то зміщення снаряда від паралелі пов'язано з тим, що траєкторія снаряда лежить в одній площині з центром Землі, в той час як точки земної поверхні рухаються в площині, перпендикулярній осі обертання Землі. Цей ефект (для випадки стрілянини уздовж меридіана) був передбачений Грімальді в 40-х роках XVII ст. і вперше опублікований Річчолі в 1651 р

Відхилення вільно падаючих тіл від вертикалі. ( ) Якщо швидкість руху тіла має велику вертикальну складову, сила Коріоліса направлена ​​на схід, що призводить до відповідного відхилення траєкторії тіла, що вільно падає (без початкової швидкості) з високої вежі. При розгляді в інерціальній системі відліку ефект пояснюється тим, що вершина башти щодо центру Землі рухається швидше, ніж підстава, завдяки чому траєкторія тіла виявляється вузької параболою і тіло злегка випереджає підставу вежі.

Ефект Етвеша.На низьких широтах сила Коріоліса при русі по земній поверхні спрямована в вертикальному напрямку і її дія призводить до збільшення або зменшення прискорення вільного падіння, в залежності від того, чи рухається тіло на захід або схід. Цей ефект названий ефектом Етвеша в честь угорського фізика Лоранда Етвеша, експериментально виявив його на початку XX століття.

Досліди, які використовують закон збереження моменту імпульсу.Деякі експерименти засновані на законі збереження моменту імпульсу: в інерціальній системі відліку величина моменту імпульсу (що дорівнює добутку моменту інерції на кутову швидкість обертання) під дією внутрішніх сил не змінюється. Якщо в деякий початковий момент часу установка нерухома відносно Землі, то швидкість її обертання щодо інерціальної системи відліку дорівнює кутової швидкості обертання Землі. Якщо змінити момент інерції системи, то повинна змінитися кутова швидкість її обертання, тобто почнеться обертання відносно Землі. У неінерціальної системи відліку, пов'язаній із Землею, обертання виникає в результаті дії сили Коріоліса. Ця ідея була запропонована французьким вченим Луї Пуансо в 1851 р

Перший такий експеримент був поставлений Хаген в 1910 р .: два вантажу на гладкій перекладині були встановлені нерухомо відносно поверхні Землі. Потім відстань між вантажами було зменшено. В результаті установка прийшла в обертання. Ще більш наочний досвід поставив німецький учений Ханс Букка (Hans Bucka) в 1949 р Стрижень довжиною приблизно 1,5 метра був встановлений перпендикулярно прямокутній рамці. Спочатку стрижень був горизонтальний, установка була нерухомою відносно Землі. Потім стрижень був приведений у вертикальне положення, що призвело до зміни моменту інерції установки приблизно в 10 4 разів і її швидкому обертанню з кутовий швидкістю, в 10 4 разів перевищує швидкість обертання Землі.

Воронка в ванні.

Оскільки сила Коріоліса дуже слабка, вона надає пренебрежимо малий вплив на напрямок закручування води при зливі в раковині або ванні, тому в загальному випадку напрямок обертання в воронці не пов'язане з обертанням Землі. Лише тільки в ретельно контрольованих експериментах можна відокремити дію сили Коріоліса від інших факторів: в північній півкулі воронка буде закручена проти годинникової стрілки, в південному - навпаки.

Ефекти сили Коріоліса: явища в навколишній природі

Оптичні експерименти

В основі ряду дослідів, що демонструють обертання Землі, використовується ефект Саньяка: якщо кільцевої інтерферометр здійснює обертальний рух, то внаслідок релятивістських ефектів у зустрічних променях з'являється різниця фаз

де A (\ displaystyle A)- площа проекції кільця на екваторіальну площину (площину, перпендикулярну осі обертання), c (\ displaystyle c)- швидкість світла , ω (\ displaystyle \ omega)- кутова швидкість обертання. Для демонстрації обертання Землі цей ефект був використаний американським фізиком Майкельсона в серії експериментів, поставлених в 1923-1925 рр. В сучасних експериментах, які використовують ефект Саньяка, обертання Землі необхідно враховувати для калібрування кільцевих інтерферометрів.

Існує ряд інших експериментальних демонстрацій добового обертання Землі.

нерівномірність обертання

Прецессия і нутація

Історія ідеї добового обертання Землі

античність

Пояснення добового обертання небосхилу обертанням Землі навколо осі вперше було запропоновано представниками піфагорейської школи, Сіракузяне Гікетом і Екфантом. Згідно з деякими реконструкціям, обертання Землі стверджував також піфагорієць Филолай з Кротона (V століття до н. Е.). Висловлювання, яке можна трактувати як вказівку на обертання Землі, міститься в Платонівському діалозі Тимей .

Однак про Гікетом і Екфантом практично нічого невідомо, і навіть саме їхнє існування іноді ставиться під сумнів. Відповідно до думки більшості вчених, Земля в системі світу Филолая відбувається не обертальний, а поступальний рух навколо Центрального вогню. В інших своїх творах Платон слід традиційній думці про нерухомість Землі. Однак до нас дійшли численні свідоцтва, що ідею обертання Землі відстоював філософ Гераклід Понтійський (IV століття до н. Е.). Ймовірно, з гіпотезою про обертання Землі навколо осі пов'язано ще одне припущення Гераклида: кожна зірка є світ, що включає землю, повітря, ефір, причому все це розташовується в нескінченному просторі. Дійсно, якщо добове обертання неба є відображенням обертання Землі, то зникає передумова вважати зірки знаходяться на одній сфері.

Приблизно через століття припущення про обертання Землі стало складовою частиною першою, запропонованої великим астрономом Аристарх Самоський (III століття до н. Е.). Аристарха підтримав вавилонянин Селевк (II століття до н. Е.), Також, як і Гераклід Понтійський, який вважав Всесвіт безкінечною. Про те, що ідея добового обертання Землі мала своїх прихильників ще в I столітті н. е., свідчать деякі висловлювання філософів Сенеки, Деркілліда, астронома Клавдія Птолемея. Переважна більшість астрономів і філософів, однак, не мало сумніву в нерухомість Землі.

Аргументи проти ідеї руху Землі є в творах Аристотеля і Птолемея. Так, в своєму трактаті Про НебоАристотель обгрунтував нерухомість Землі тим, що на поворотній Землі кинуті вертикально вгору тіла не могли б впасти в ту точку, з якої почалося їх рух: поверхня Землі порушувався б під кинутим тілом. Інший аргумент на користь нерухомості Землі, що приводиться Аристотелем, заснований на його фізичної теорії: Земля є важким тілом, а для важких тіл властивий рух до центру світу, а не обертання навколо нього.

З твору Птолемея слід, що прихильники гіпотези обертання Землі на ці доводи відповідали, що і повітря і всі земні предмети здійснюють рух разом із Землею. По всій видимості, роль повітря в цьому міркуванні принципово важлива, оскільки мається на увазі, що саме його рух разом із Землею приховує обертання нашої планети. Птолемей на це заперечує, що

що знаходяться в повітрі тіла завжди будуть здаватися відстаючими ... А якби тіла оберталися разом з повітрям як одне ціле, то ніяке з них не здавалося б випереджаючим інше або відстаючим від нього, але залишалося б на місці, в польоті і киданні воно не здійснювало б відхилень або рухів в інше місце на кшталт тих, які ми на власні очі бачимо що вiдбуваються, і у них взагалі не відбувалося б уповільнення або прискорення, тому що Земля не є нерухомою.

Середньовіччя

Індія

Першим із середньовічних авторів, який висловив припущення про обертання Землі навколо осі, був великий індійський астроном і математик Аріабхата (кін. V - поч. VI ст.). Він формулює її в кількох місцях свого трактату Аріабхати, Наприклад:

Точно також, як людина на рухомому вперед кораблі бачить закріплені об'єкти рухаються назад, так і спостерігач ... бачить нерухомі зірки рухаються по прямій лінії на захід.

Невідомо, чи належить ця ідея самому Аріабхати або він її запозичив у давньогрецьких астрономів.

Аріабхати підтримав тільки один астроном, Пртхудака (IX століття). Більшість індійських вчених відстоювала нерухомість Землі. Так, астроном Варахаміхіра (VI ст.) Стверджував, що на поворотній Землі летять в повітрі птахи не могли б повернутися до своїх гнізд, а камені і дерева злітали б з поверхні Землі. Видатний астроном Брахмагупта (VI ст.) Повторив також старий аргумент, що тіло, що впало з високої гори, але змогло б опуститися до її основи. При цьому він, однак, відкинув один з доводів Варахаміхіра: на його думку, навіть якщо б Земля оберталася, предмети не могли б відірватися від неї внаслідок своєї тяжкості.

ісламський Схід

Можливість обертання Землі розглядали багато вчених мусульманського Сходу. Так, відомий геометр ас-Сіджізі винайшов астролябію, принцип дії якої базується на цьому припущенні. Деякі ісламські вчені (імена яких до нас не дійшли) навіть знайшли правильний спосіб спростування основного аргументу проти обертання Землі: вертикальності траєкторій падаючих тіл. По суті, при цьому було висловлено принцип суперпозиції рухів, згідно з яким будь-яке переміщення можна розкласти на два або кілька складових: по відношенню до поверхні Землі, що обертається падаюче тіло рухається по прямовисній лінії, але точка, яка є проекцією цієї лінії на поверхню Землі, переноситься б її обертанням. Про це свідчить знаменитий учений-енциклопедист ал-Біруні, який сам, однак, схилявся до нерухомості Землі. На його думку, якщо на падаюче тіло буде діяти якась додаткова сила, то результат її дії на поворотній Землі призведе до деяких ефектів, які насправді не спостерігаються.

Серед вчених XIII-XVI століть, пов'язаних з Марагінской і Самаркандської обсерваторіями, розгорнулася дискусія про можливість емпіричного обгрунтування нерухомості Землі. Так, відомий астроном Кутб ад-Дін аш-Ширазі (XIII-XIV ст.) Вважав, що нерухомість Землі може бути посвідчена експериментом. З іншого боку, засновник Марагінской обсерваторії Насир ад-Дін ат-Тусі вважав, що якби Земля оберталася, то це обертання поділяв би шар повітря, що прилягає до її поверхні, і всі рухи поблизу поверхні Землі відбувалися б точно також, як якщо б Земля була нерухомою. Він це доводив за допомогою спостережень комет: відповідно до Аристотеля, комети є метеорологічним явищем в верхніх шарах атмосфери; тим не менш, астрономічні спостереження показують, що комети беруть участь в добовому обертанні небесної сфери. Отже, верхні шари повітря захоплюються обертанням небосхилу, тому і нижні шари також можуть захоплюватися обертанням Землі. Таким чином, експеримент не може дати відповідь на питання про те, чи обертається Земля. Однак він залишався прихильником нерухомість Землі, оскільки це відповідало філософії Аристотеля.

Більшість ісламських вчених більш пізнього часу (аль-Урді, аль-Казвін, ан-Найсабурі, ал-Джурджані, ал-Бірджанд і інші) були згодні з ат-Тусі, що всі фізичні явища на обертається і нерухомою Землею виникали б однаково. Однак роль повітря при цьому вже не вважалася принциповою: не тільки повітря, а й всі предмети переносяться обертається Землею. Отже, для обгрунтування нерухомості Землі необхідно залучати вчення Аристотеля.

Особливу позицію в цих суперечках зайняв третій директор Самаркандської обсерваторії Алауддін Алі аль-Кушчі (XV ст.), Що відкидав філософію Аристотеля і вважав обертання Землі фізично можливим. У XVII столітті до аналогічного висновку дійшов іранський теолог і вчений-енциклопедист Баха ад-Дін аль-Амілі. На його думку, астрономи і філософи не надали достатніх доказів, що спростовують обертання Землі.

латинський Захід

Докладне обговорення можливості руху Землі широко міститься в творах паризьких схоластів Жана Буридана, Альберта Саксонського, і Миколи Орема (друга половина XIV ст.). Найважливішим аргументом на користь обертання Землі, а не неба, наведеними в їх роботах, є трохи Землі в порівнянні із Всесвітом, що робить приписування добового обертання небосхилу Всесвіту надзвичайно протиприродним.

Однак всі ці вчені в кінцевому підсумку відкинули обертання Землі, хоча і на різних підставах. Так, Альберт Саксонський вважав, що ця гіпотеза не здатна пояснити спостережувані астрономічні явища. З цим справедливо не погодилися Буридан і Орем, на думку яких небесні явища повинні відбуватися однаково незалежно від того, що здійснює обертання, Земля або Космос. Буридан зміг знайти тільки один суттєвий аргумент проти обертання Землі: стріли, пускаємо вертикально вгору, падають вниз по прямовисній лінії, хоча при обертанні Землі вони, на його думку, повинні були б відставати від руху Землі і падати на захід від точки пострілу.

Але навіть і цей аргумент був відкинутий Орема. Якщо Земля обертається, то стріла летить вертикально вгору і одночасно з цим рухається на схід, будучи захоплена повітрям, що обертається разом з Землею. Таким чином, стріла повинна впасти на те саме місце, звідки вона була випущена. Хоча тут знову згадується про захоплюючого ролі повітря, в дійсності він не грає особливої ​​ролі. Про це говорить наступна аналогія:

Подібним чином, якби повітря було закрито в рухомому судні, то людині, оточеному цим повітрям, здалося б, що повітря не рухається ... Якби людина перебувала в кораблі, що рухається з великою швидкістю на схід, не знаючи про цей рух, і якщо б він витягнув руку по прямій лінії вздовж щогли корабля, йому б здалося, що його рука робить прямолінійний рух; точно так же, згідно з цією теорією, нам видається, що така ж річ відбувається зі стрілою, коли ми пускаємо її вертикально вгору або вертикально вниз. Усередині корабля, що рухається з великою швидкістю на схід, можуть мати місце всі види руху: поздовжнє, поперечне, вниз, вгору, в усіх напрямках - і вони здаються такими самими, як тоді, коли корабель перебуває нерухомим.

Далі Орем призводить формулювання, предвосхищающую принцип відносності:

Я роблю висновок, отже, що за допомогою якого б то не було досвіду неможливо продемонструвати, що небеса мають добовий рух і що Земля його не має.

Проте, остаточний вердикт Орема про можливість обертання Землі був негативним. Підставою для такого висновку був текст Біблії:

Однак до сих пір все підтримують і я вірю, що вони [Небеса], а не Земля рухається, бо «Бог створив коло Землі, який не захитається», незважаючи на всі протилежні аргументи.

Про можливості добового обертання Землі згадували і середньовічні європейські вчені і філософи більш пізнього часу, проте ніяких нових аргументів, які не містилися у Буридана і Орема, додано не було.

Таким чином, практично ніхто з середньовічних вчених так і не прийняв гіпотезу про обертання Землі. Однак в ході її обговорення вченими Сходу і Заходу було висловлено безліч глибоких думок, які потім будуть повторені вченими Нового часу.

Епоха Відродження і Новий час

У першій половині XVI століття побачили світ кілька творів, які стверджували, що причиною добового обертання небосхилу є обертання Землі навколо осі. Одним з них був трактат італійця Челіо Кальканьіні «Про те, що небо нерухомо, а Земля обертається, або про вічний рух Землі» (написаний близько 1525 р видано в 1544 р). Він не справив великого враження на сучасників, оскільки на той час вже був опублікований фундаментальну працю польського астронома Миколи Коперника «Про обертання небесних сфер» (1543 г.), де гіпотеза добового обертання Землі у нього стала частиною геліоцентричної системи світу, як у Аристарха Самоський . Свої думки Коперник раніше виклав в невеликому рукописному творі малий Коментар(Не раніше 1515 г.). Два роки раніше основного праці Коперника вийшло твір німецького астронома Георга Йоахіма Ретика перше оповідання(1541 г.), де популярно викладена теорія Коперника.

У XVI столітті Коперника повністю підтримали астрономи Томас Діггес, Ретик, Крістоф Ротман, Міхаель Мёстлін, фізики Джамбатіста Бенедетті, Симон Стевін, філософ Джордано Бруно, богослов Дієго де Цуніга. Деякі вчені брали обертання Землі навколо осі, відкидаючи її поступальний рух. Такою була позиція німецького астронома Ніколаса Реймерса, відомого також як Урсус, а також італійських філософів Андреа Чезальпіно і Франческо Патриція. Не зовсім зрозуміла точка зору видатного фізика Вільяма Гільберта, який підтримав осьове обертання Землі, але не висловлювався з приводу її поступального руху. На початку XVII століття геліоцентрична система світу (включаючи обертання Землі навколо осі) отримала значну підтримку з боку Галілео Галілея і Йоганна Кеплера. Найбільш впливовими противниками ідеї руху Землі в XVI - початку XVII століття були астрономи Тихо Браге і Христофор Клавіус.

Гіпотеза про обертання Землі і становлення класичної механіки

По суті, в XVI-XVII ст. єдиним аргументом на користь осьового обертання Землі було те, що в цьому випадку відпадає потреба в приписуванні зоряної сфері величезних швидкостей обертання, адже ще в античності вже було надійно встановлено, що розмір Всесвіту значно перевищує розмір Землі (цей аргумент містився ще у Буридана і Орема) .

Проти цієї гіпотези висловлювалися міркування, засновані на динамічних кончини того часу. Перш за все, це вертикальність траєкторій падаючих тіл. З'явилися і інші доводи, наприклад, рівна дальність стрільби в східному і західному напрямках. Відповідаючи на питання про ненаблюдаемости ефектів добового обертання в земних експериментах, Коперник писав:

Обертається не тільки Земля з з'єднаної з нею водною стихією, але також і чимала частина повітря і все, що якимось чином споріднене з Землею, або вже найближчий до Землі повітря просочене земної та водної матерією, слід тим же самим законам природи, що і земля, або має придбане рух, яке повідомляється йому прилеглої Землею в постійному обертанні і без будь-якого опору

Таким чином, головну роль в ненаблюдаемости обертання Землі грає захоплення повітря її обертанням. Такої ж думки дотримувалися і більшість коперніканців в XVI столітті.

Прихильниками нескінченність Всесвіту в XVI столітті були також Томас Діггес, Джордано Бруно, Франческо Патриція - всі вони підтримували гіпотезу про обертання Землі навколо осі (а перші двоє - також навколо Сонця). Крістоф Ротман і Галілео Галілей вважали зірки розташованими на різних відстанях від Землі, хоча явно не висловлювалися з приводу нескінченність Всесвіту. З іншого боку, Йоганн Кеплер заперечував нескінченність Всесвіту, хоча і був прихильником обертання Землі.

Релігійний контекст суперечок про обертання Землі

Ряд заперечень проти обертання Землі був пов'язаний з її протиріччями тексту Святого Письма. Ці заперечення були двох видів. По-перше, деякі місця в Біблії наводилися на підтвердження того, що добовий рух здійснює саме Сонце, наприклад:

Сходить сонце і заходить сонце, і поспішає до місця свого, де воно сходить.

В даному випадку під удар потрапляло осьове обертання Землі, оскільки рух Сонця зі сходу на захід є частиною добового обертання небосхилу. Часто в цьому зв'язку цитувався уривок з книги Ісуса Навина:

Тоді Ісус говорив Господеві того дня, в який Господь дав Аморрея в руки Ізраїля, що побив їх в Гів'оні, і вони побиті були перед лицем синів Ізраїлевих, і сказав на очах Ізраїля: Стань, сонце, над Гаваоном, і місяць, над долиною Авалонскою !

Оскільки команда зупинитися була дана Сонця, а не Землі, звідси робився висновок, що добовий рух здійснює саме Сонце. Інші уривки наводилися на підтримку нерухомість Землі, наприклад:

Ти поставив землю на твердих основах: не захитається вона на віки віків!.

Ці уривки вважалися такими, що суперечать як думку про обертанні Землі навколо осі, так і зверненням навколо Сонця.

Прихильники обертання Землі (зокрема, Джордано Бруно, Йоганн Кеплер і особливо Галілео Галілей) проводили захист за кількома напрямками. По-перше, вони вказували, що Біблія написана мовою, зрозумілою простим людям, і якби її автори давали чіткі з наукової точки зору формулювання, вона не змогла б виконувати свою основну, релігійну місію. Так, Бруно писав:

У багатьох випадках нерозумно і недоцільно наводити багато міркувань швидше відповідно до істиною, ніж відповідно даним випадком і зручності. Наприклад, якби замість слів: «Сонце народжується і піднімається, перевалює через опівдні і схиляється до Аквілон» - мудрець сказав: «Земля йде по колу на схід і, залишаючи сонце, яке закочується, схиляється до двох тропіків, від Рака до Півдня, від Козерога до Аквілон », - то слухачі стали б роздумувати:« Як? Він каже, що Земля рухається? Що це за новини? » Врешті-решт вони його вважали б за дурня, і він дійсно був би дурнем.

Такого роду відповіді давалися в основному на заперечення, що стосувалися добового руху Сонця. По-друге, зазначалося, що деякі уривки Біблії повинні бути трактовані алегорично (див. Статтю Біблійний аллегорізм). Так, Галілей зазначав, що якщо Св. Писання цілком розуміти буквально, то виявиться, що у Бога є руки, він схильний до емоціям типу гніву і т. П. В цілому, головною думкою захисників вчення про рух Землі було те, що наука і релігія мають різні цілі: наука розглядає явища матеріального світу, керуючись аргументами розуму, метою релігії є моральне вдосконалення людини, його порятунок. Галілей в зв'язку з цим цитував кардинала Барон, що Біблія вчить тому, як зійти на небеса, а не тому, як влаштовані небеса.

Ці доводи були полічені католицькою церквою непереконливими, і 1616 р вчення про обертання Землі було заборонено, а в 1631 Галілей був засуджений судом інквізиції за його захист. Однак за межами Італії ця заборона не зробив істотного впливу на розвиток науки і сприяв головним чином падіння авторитету самої католицької церкви.

Необхідно додати, що релігійні доводи проти руху Землі приводили не тільки церковні діячі, а й вчені (наприклад, Тихо Браге). З іншого боку, католицький чернець Паоло Фоскаріні написав невеликий твір «Лист про поглядах піфагорійців і Коперника на рухливість Землі і нерухомість Сонця і про нову піфагорейської системі світобудови» (1615 г.), де висловлював міркування, близькі до галілеївсько, а іспанська богослов Дієго де Цуніга навіть використовував теорію Коперника для тлумачення деяких місць Священного Писання (хоча згодом він змінив свою думку). Таким чином, конфлікт між богослов'ям і вченням про рух Землі був не стільки конфліктом між наукою і релігією як такими, скільки конфліктом між старими (до початку XVII століття вже застарілими) і новими методологічними принципами, покладаються в основу науки.

Значення гіпотези про обертання Землі для розвитку науки

Осмислення наукових проблем, що піднімаються теорією обертається Землі, сприяло відкриттю законів класичної механіки і створення нової космології, в основі якої лежить уявлення про безмежність Всесвіту. Питання, що обговорювалися в ході цього процесу протиріччя між цією теорією і буквалістськи прочитанням Біблії сприяли розмежуванню природознавства і релігії.

Добове обертання земної кулі призводить до послідовної зміни днів і ночей, а його орбітальний рух - до чергування пір року і зміні самих років. Рухи ці найбільш важливі для землян, бо лежать в основі астрономічних способів вимірювання часу, але вони далеко не єдині. Мчавши по околосолнечной орбіті із середньою швидкістю близько 30 км / с, наша Земля робить ще чимало інших найрізноманітніших рухів.

Як вже говорилося, вісь обертання Землі протягом всього року зберігає незмінне положення в просторі, тобто залишається паралельної самій собі. А північний край цій осі спрямований до нерухому точку неба поблизу Полярної зірки. І все ж це не зовсім так. Зі століття в століття земна вісь, подібно осі обертового дзиги, повільно описує конус, і викликається цей рух тими ж силами, що і морські припливи, - тяжінням Місяця і Сонця. Тільки в даному випадку вони впливають не на води океанів, а на маси Землі, що утворюють її екваторіальна здуття.

В результаті зміни напрямку земної осі в просторі полюси світу повільно переміщаються серед зірок по малому колу з радіусом 23 градуси 26 хвилин дуги. Саме на такий кут вісь обертання Землі відхилена від перпендикуляра до площини земної орбіти (площини екліптики) і на такий же кут до площини екліптики нахилений небесний екватор. Нагадаємо: небесний екватор являє собою велике коло, віддалений від полюсів світу на 90 градусів. Він перетинається з екліптикою в точках весняного й осіннього рівнодення. І якщо небесний полюс рухається, точки рівнодення повільно переміщаються по екліптиці назустріч видимому руху Сонця. В результаті весна щороку настає на 20 хвилин і 24 секунди раніше, ніж Сонце встигає обійти всю екліптики. Звідси це явище отримало назву прецесії, Що в перекладі з латинської означає "ходіння вперед", або попереджання рівнодення.

Розрахунки показали, що полюс світу робить повне коло на небесній сфері за 25 770 років, тобто протягом майже 258 століть. В даний час він знаходиться приблизно в 46 кутових хвилинах від Полярної зірки. У 2103 році він наблизиться до дороговказної зірки на мінімальну відстань, рівну 27 кутовим хвилинам, а потім, рухаючись в напрямку сузір'я Цефея, стане від неї повільно віддалятися.

Протягом тривалого часу Північний полюс світу не буде "відзначений" жодної яскравою зіркою і тільки близько 7500 року відбудеться на відстані 2 градусів від альфи Цефея - зірки другий зоряної величини, по силі блиску змагається з Полярної. Близько 13 600 року в ролі дороговказною світила буде виступати найяскравіша зірка північного неба - Вега. Нарешті настане час, коли, внаслідок подальшого переміщення полюса світу, з небес північних широт зникне царствений Сіріус, але зате буде видно сузір'я Південного Хреста.

Прецессия ускладнюється так званої нутацією- легким погойдуванням земної осі. Подібно прецесії, воно походить від впливу нашого супутника на екваторіальну здуття земної кулі. В результаті складання цих двох рухів переміщення небесного полюса відбувається не просто по колу, а по злегка хвилястою кривою. В цьому і полягає четверте рух Землі.

Чи не залишається незмінним і нахил осі обертання Землі до площини орбіти. Наша планета, хоча і дуже повільно, все ж "погойдується", тобто нахил земної осі злегка змінюється. В даний час він зменшується приблизно на 0,5 секунди дуги в рік. Якби це зменшення відбувалося постійно, то десь в 177 000 році земляни отримали б прекрасну можливість жити на планеті з перпендикулярної віссю. Які зміни відбулися б тоді в природі? На земній кулі з перпендикулярної віссю не було б більше ніякої зміни пір року. Його мешканці могли б насолоджуватися вічною весною! Однак розмах коливань нахилу осі обертання Землі зовсім невеликий - не перевищує 2-3 градусів. Нинішнє "випрямлення" земної осі обов'язково припиниться, після чого її нахил буде збільшуватися.

Нагадаємо, що земна орбіта являє собою еліпс. І форма цього еліпса теж схильна до повільних змін. Він стає то більш, то менш витягнутим. В даний час ексцентриситет земної еліпса дорівнює 0,0167, а в 24 000 році земна орбіта перетвориться майже в коло. Потім протягом 40 тисячоліть ексцентриситет стане знову зростати, і так буде тривати, очевидно, до тих пір, поки буде існувати сама наша планета. це постійне зміна ексцентриситету земної орбітиможна розглядати як шосте рух Землі.

Планети теж не залишають Землю в спокої. Залежно від своєї маси і віддаленості вони надають на неї цілком відчутний вплив. Так, велика вісь земної орбіти, що з'єднує найближчу і найбільш віддалену від Сонця точки земного шляху (перигелій і афелій), завдяки сукупній гравітації планет повільно повертається. Цей цикл, що триває 21 тис. Років, становить вікове зміна перигеліюі є сьомим рухом Землі.

В результаті зміни орієнтації земної орбіти повільно змінюються терміни проходження Землі через перигелій. І якщо зараз Земля проходить через перигелій в перших числах січня, то близько 11 900 року вона буде перебувати в перигелії в дні літнього сонцестояння: зими тоді будуть особливо холодними, а літня спека сягатиме найвищої межі.

У популярних книгах з астрономії говориться, що "Місяць обертається навколо Землі", але вираз це не цілком точне. Справа в тому, що не тільки Земля притягує Місяць, але і Місяць притягує Землю, і обидва небесних тіла рухаються разом, як одне ціле, навколо загального центру мас системи Земля-Місяць. Маса Місяця в 81,3 рази менше маси Землі, і тому цей центр знаходиться в 81,3 рази ближче до центру Землі, ніж до центру Місяця. Середня відстань між їх центрами складає 384 400 км. Оперуючи цими даними, ми отримаємо: центр мас системи Земля-Місяць знаходиться на відстані 4671 км від центру Землі в напрямку до Місяця, тобто на відстані 1707 км під поверхнею Землі (екваторіальний радіус Землі - 6378 км). Ось навколо цього центру Земля і Місяць описують протягом місяця свої орбіти. В результаті Земля щомісяця то наближається до Сонця, то віддаляється від нього, що викликає невеликі зміни видимого діаметра денного світила. Це є восьме рух Землі.

Строго кажучи, по околосолнечной орбіті рухається центр мас системи Земля-Місяць. Тому траєкторія Землі повинна бути схожа на злегка хвилясту лінію.

Якби навколо Сонця зверталася тільки одна Земля, то обидва небесних тіла описували б еліпси навколо загального центру мас системи Сонце-Земля. Але тяжіння Сонця іншими великими планетами змушує цей центр описувати дуже складну криву. І коли всі планети бувають розташовані по одну сторону від центрального світила, вони притягують його до себе особливо сильно і зміщують Сонце, чому центр мас всієї Сонячної системи виходить за межі сонячного кулі. Так виникає ще одне, дев'ята ускладнення в русі Землі.

Нарешті, сама наша Земля легко відгукується на притягання інших планет Сонячної системи. Адже відповідно до закону Ньютона всі небесні тіла притягуються одне іншим з силою, прямо пропорційною добутку їх мас і обернено пропорційною квадрату їх відстані. Це вплив планет проявляється не кращим чином - воно відхиляє Землю з її еліптичного шляху навколо Сонця (з кеплерова орбіти) і викликає все ті неправильності в її орбітальному русі, які називаються збуреннямиабо пертурбаціями. Найбільше обурення на Землю надає масивний гігант Юпітер і наша сусідка Венера. Ускладнення траєкторії руху Землі під дією тяжіння планет і складає її десятою рух.

Вже давно встановлено, що зірки рухаються в просторі з величезними швидкостями. Не став винятком і наше Сонце. Щодо найближчих зірок воно летить у напрямку сузір'я Геркулеса зі швидкістю близько 20 км / с, захоплюючи з собою всіх своїх супутників, в тому числі і Землю. Переміщення Землі в просторі, викликане поступальним рухом Сонця, є одинадцятим рухом нашої планети. Завдяки цьому нескінченному польоту ми назавжди покидаємо ту область неба, де сяє Сіріус, і наближаємося до незвіданих зоряним глибин, де яскраво виблискує Вега. З тих пір як утворилася Земля, вона жодного разу не пролітала по знайомих місцях і ніколи не повернеться в ту точку Всесвіту, де ми знаходимося в даний момент.

Зобразимо напрямок руху Сонця в просторі прямої стрілою. Тоді та точка неба, до якої воно летить, складе з полюсом екліптики кут близько 40 градусів. Як бачимо, наше центральне світило рухається зовсім косо (по відношенню до площини екліптики), а Земля, подібно яструба або орла, описує біля нього гігантську спіраль ...

Якби ми могли поглянути на наш галактичний зоряний "острів" з боку і серед 200 млрд зірок розпізнати наше Сонце, то ми встановили б, що воно рухається навколо центру Галактики зі швидкістю близько 220 км / с і свій шлях завершує приблизно за 230 млн років . У цьому стрімкому польоті навколо галактичного ядра разом з Сонцем бере участь вся Сонячна система, а для нашої Землі це - дванадцятий рух.

Політ Землі разом з Сонцем навколо ядра Галактики доповнюється тринадцятим рухом всієї нашої зоряної системи відносно центру скупчення найближчих до нас галактик.

Слід зазначити, що перераховані тринадцять рухів Землі далеко не вичерпують всіх її можливих рухів. У Всесвіті кожне небесне тіло повинно брати участь в безлічі різних відносних рухів.