Рух планет комет штучних супутників та міжпланетних станцій

Рух планет, комет, штучних супутників та міжпланетних станцій.

Закон всесвітнього тяжіння — фізичний закон, що описує гравітаційну взаємодію в рамках Ньютонівської механіки. Закон стверджує, що сила притягання між двома тілами (матеріальними точками) прямо пропорційна добутку їхніх мас, і обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Закон всесвітнього тяжіння сформулював Ісаак Ньютон у 1687 році у трактаті «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» .

Планета — кулясте несамосвітне тіло, що обертається навколо Сонця чи іншої зірки. Орбіта цього обертання дуже близька до еліпсу. За найсучаснішим означенням, плане тою сонячної системи вважають астрономічний об'єкт, що обертається навколо Сонця, має достатню масу для того, щоб під дією власної гравітації набути кулястої форми та має «вичищену околицю» , тобто, домінує на своїй орбіті. Ті астрономічні об'єкти, що задовольняють двом першим умовам, але не задовольняють третій, називають карликовими планетами.

Сьогодні у Сонячній системі відомо 8 планет: Меркурій, Венера, Земля, Марс, Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун.

Закони Кеплера — три емпіричні залежності, що описують рух планет навколо Сонця. Названо на честь німецького астронома Йоганеса Кеплера, який відкрив їх шляхом аналізу спостережень руху Марса навколо Сонця, здійснених данським астрономом Тихо Браге. Йоганнес Кеплер — німецький філософ, математик, астроном, астролог і оптик, відомий насамперед відкриттям законів руху планет, названих законами Кеплера на його честь. В обчислювальній математиці на його честь названо метод наближеного обчислення інтегралів. Він поширював логарифмічне числення у Німеччині, заснував оптику як науку, вдосконалив телескоп рефрактор та допоміг довести відкриття, зроблені з допомогою телескопа його сучасником Ґалілео Ґалілеєм.

Перший закон Кеплера Всі планети обертаються навколо Сонця еліптичними орбітами, в одному з фокусів яких перебуває Сонце (всі орбіти планет і тіл Сонячної системи мають один спільний фокус, в якому, власне, і розташовано Сонце). Найближча до Сонця точка орбіти називається перигелієм, а найдальша від нього точка — афелієм. Ступінь витягнутості еліпса характеризується його ексцентриситетом. Ексцентриситет дорівнює відношенню відстані фокуса від центра до довжини великої півосі (середньої відстані планети до Сонця). Коли фокуси й центр збігаються, еліпс перетворюється на коло. Орбіти планет — еліпси, які мало відрізняються від кіл; їх ексцентриситети малі.

Другий закон Кеплера Радіус вектор планети (тіла Сонячної системи) за рівні проміжки часу описує рівновеликі площі. Лінійна швидкість руху планети неоднакова в різних точках її орбіти: що ближча планета до Сонця, то більша її швидкість. Швид кість руху планети у перигелії найбільша, а в афелії — найменша. Однак площа, яку «замітає» радіус вектор за певний проміжок часу, не залежить від того, в якій частині орбіти перебуває планета. Площа, яку «замітає» радіус вектор за одиницю часу називається секторною (сегментною) швидкістю. Таким чином, другий закон Кеплера кількісно визначає зміну швидкості руху планети орбітою. З погляду класичної механіки, другий закон Кеплера є проявом закону збереження моменту імпульсу.

Третій закон Кеплера Квадрати зоряних періодів обертання планет відносяться, як куби великих півосей їхніх орбіт. На відміну від двох перших законів Кеплера, що стосуються властивостей орбіти кожної окремо взятої планети, третій закон пов'язує властивості орбіт різних планет між собою.

Межа Роша— найменша відстань від планети, на якій може перебувати її супутник, зберігаючи цілісність під дією припливних сил. Наближення супутника до планети: припливні сили зумовлюють деяке відхилення форми супутника від сферичної Із наближенням до межі Роша супутник дедалі більше деформується. На відстані, що дорівнює межі Роша, припливні сили ще врівноважуються силами тяжіння супутника, однак рівновага вже нестійка. Різниця гравітаційного прискорення від планети для найближчої та найдальшої точок супутника перевищує його власну гравітацію. Частини відокремлюються від супутника і, внаслідок різної орбітальної швидкості (показано червоними векторами), розподіляються вздовж його орбіти. Через деякий час від супутника залишається кільце. Межа Роша визначається рівністю між різницею прискорення, що його зазнають від планети найближча та найдальша точки її супутника, та власною гравітацією супутника. Цю задачу небесної механіки розв'язав французький астроном та математик Едуард Альбер Рош. Таким чином він довів, що кільця Сатурна являють собою велику кількість невеликих частин, які обертаються незалежно.

Порожнина Роша Простір навколо гравітуючого тіла у подвійній системі, оточений еквіпотенційною поверхнею нульового рівня. Всередині кожної порожнини тяжіння центрального тіла переважає гравітацію сусіда. Названо на честь французького астронома Едуарда Роша, який вивчав взаємодію зір у тісних подвійних системах. Схематичне зображення перерізу порожнин Роша у подвійній системі для тіл зі співвідношненням мас 2: 1 Форма порожнин Роша близька до сферичної, але вони дещо витягнуті назустріч одна одній. Єдина точка дотику — внутрішня Лагранжева точка L 1, у якій гравітація обох тіл врівноважується. На перерізі подвійної системи площиною, що проходить через центри обох тіл, межа порожнин утворює фігуру, яка нагадує «вісімку» .

Схематичне зображення перерізу порожнин Роша у подвійній системі для тіл зі співвідношненням мас 2: 1

Перша космічна швидкість Пе рша космі чна шви дкість — швидкість, яку, нехтуючи опором повітря та обертанням планети, необхідно надати тілу, для переміщення його на кругову орбіту, радіус якої рівний радіусу планети. Поняття першої космічної швидкості є досить теоретичним, оскільки реальні кораблі мають свій власний двигун і крім того, використовують обертання Землі. Для обчислення першої космічної швидкості необхідно розглянути рівність відцентрової сили та сили тяжіння, що діють на тіло на орбіті.

Друга космічн швидкість Мінімальна швидкість, яку необхідно надати тілу на поверхні планети (або іншого масивного небесного тіла), щоб воно вийшло за межі гравітаційної дії цієї планети. Для Землі друга космічна швидкість дорівнює 11, 2 км/с. Друга космічна швидкість залежить тільки від маси планети, а не залежить від маси тіла, яке покидає її.

Комети Комета мале тіло Сонячної системи, яке обертається навколо Сонця і має так звану кому (атмосферу) і/або хвіст. Кома і хвіст комети — це наслідки випаровування ядра комети під дією сонячного випромінювання. Ядро являє собою малу планету, що складається з каменю, пилу та криги.

Будова комет Як правило, комети складаються з «голови» — невеликого яскравого згустку ядра, що оточена світлою туманною оболонкою (комою), яка складається з газу та пилу. Тривале існування низки періодичних комет, що багаторазово пролітали поблизу Сонця, пояснюється незначною втратою речовини при кожному прольоті (через утворення пористого теплоізоляційного шару на поверхні ядер або наявності в ядрах тугоплавких речовин).

У комет із наближенням до Сонця утворюється «хвіст» — слабка світна смуга, що у результаті дії сонячного вітру найчастіше спрямована у протилежну від Сонця сторону. Хвости комет розрізняються довжиною й формою, не мають різких обрисів і практично прозорі — крізь них добре видні зірки, — тому що утворені з надзвичайно розрідженої речовини. Склад її різноманітний: газ чи дрібний пил, або ж суміш того й іншого. Цей пил схожий з астероїдним матеріалом сонячної системи, що з'ясувалося в результаті дослідження комети Вільда космічним апаратом «Стардаст» ( «Зоряний пил» ). По суті, це «видиме ніщо» : людина може спостерігати хвости комет тільки тому, що газ і пил світяться. При цьому світіння газу пов'язане з його йонізацією ультрафіолетовими променями й потоками часток, що викидаються із сонячної поверхні, а пил просто розсіює сонячне світло.

Штучні супутники Це об'єкт поміщений на орбіту Землі чи іншого небесного тіла зусиллям людини. Інколи називається просто супутник, однак в такому випадку слід відрізняти від природних супутників таких як Місяць.

Історія розвитку Першим штучним супутником став «Супутник 1» , запуском якого 4 жовтня 1957 Радянським Союзом започаткована радянська програма «Супутник» під керівництвом Сергія Корольова. Подія також стала початком космічної гонки між СРСР та США. Виміри орбітального відхилення «Супутника 1» допомогли визначити густину високих атмосферних прошарків. З його допомогою було досліджено розповсюдження радіосигналів у іоносфері. Так як корпус супутника був наповненим стислим азотом, він також надав першу змогу виявлення метеороїдів, оскільки їх проникнення через зовнішню поверхню відобразилося б на температурних даних, які надсилалися на Землю. Однак, оскільки неочікуване оголошення успіху радянського космічного апарату викликало у Сполучених Штатах «Супутникову кризу» та у рамках холодної війни розпалило космічну гонку, політичне значення «Супутника 1» значно переважало наукове. 3 лютого 1958 відбувся запуск «Супутника 2» , який доправив космосу першу живу істоту земного походження — собаку на прізвисько Лайка.

У травні 1946 року, в рамках американського аналітичного проекту RAND було видано «Попередній проект експериментального орбітального космічного корабля» , який стверджував, що «штучний супутник із відповідним облаштуванням може стати одним з наймогутніших наукових інструментів двадцятого сторіччя» . Розпочатий 1945 року розгляд можливості запуску Сполученими Штатами штучних супутників очолювало Бюро аеронавтики Військово морських сил США. Згодом, проектом RAND під керівництвом Військово повітряних сил США було опубліковано вищевказаний звіт, за якого вважалося однак, що потенційна можливість військового застосування супутників мала; натомість вони розглядалися у якості наукового, політичного та пропагандистського інструменту. У 1954 міністр оборони США заявив, що «не знає ніякої американської супутникової програми» . 29 липня 1955, Білим домом оголошено намір запустити штучні супутники до весни 1958 року; ця програма стала відомою як проект «Авангард» . 31 липня Радянський Союз оголосив намір запустити супутник до осені 1957. Під тиском Американського ракетного товариства, Національного наукового фонду США та Міжнародного геофізичного року, що наступав, військовий інтерес було поновлено, і на початку 1955 повітряні та морські сили США почали працювати над конкуруючим проекту «Авангард» проектом «Орбітер» , який для запуску супутників передбачав використання ракети «Юпітер С» . Проект мав успіх, і 31 січня 1958 року «Експлорер 1» став першим супутником Сполучених Штатів. Найбільшим штучним супутником, що на сьогодні розташований на Земній орбіті, є Міжнародна космічна станція.