Загадочный и волшебный мир астрономии с древних времен привлекал внимание человечества. Люди поднимали свои головы вверх, к звездному небу, и задавались вечными вопросами о том, почему звезды меняют свое положение, почему наступает день и ночь, почему где-то воет вьюга, а где-то в пустыне плюс 50...

Движение светил и календари

Большинство планет Солнечной системы вращаются вокруг себя. Одновременно все они делают обороты вокруг Солнца. Одни совершают это быстро и стремительно, другие — медленно и торжественно. Планета Земля не исключение, она постоянно движется в космическом пространстве. Еще в древности люди, на зная причин и механизма этого движения, заметили некую общую закономерность и стали составлять календари. Уже тогда человечество интересовал вопрос о том, какая скорость обращения Земли вокруг Солнца.

Солнце встает на восходе

Движение Земли вокруг свой оси — это земные сутки. А полный проход нашей планеты по эллипсоидной орбите вокруг светила — это календарный год.

Если встать на Северный полюс и провести воображаемую ось сквозь Землю к полюсу Южному, то получится, что наша планета совершает движение с запада на восток. Помните, еще в "Слове о полку Игореве" говорится, что "Солнце встает на восходе"? Восток всегда встречает солнечные лучи раньше запада. Именно поэтому новый год на Дальнем Востоке наступает раньше, чем в Москве.

При этом ученые определились, что только две точки на нашей планете находятся в статичном положении относительно Это Северный и Южный полюса.

Сумасшедшая скорость

Все остальные места на планете находятся в вечном движении. Какова скорость обращения Земли вокруг Солнца? На экваторе она самая высокая и достигает 1670 км в час. Ближе к средним широтам, например, в Италии, скорость уже значительно ниже — 1200 км в час. А чем ближе к полюсам, тем она меньше и меньше.

Период обращения Земли вокруг своей оси равен 24 часам. Так говорят ученые. Мы называем это проще — сутки.

А с какой скоростью вращается Земля вокруг Солнца?

В 350 раз быстрее гоночного автомобиля

Кроме вращения вокруг оси, Земля еще и совершает эллипсовидное движение вокруг звезды по имени Солнце. С какой скоростью Ученые давно уже вычислили этот показатель с помощью сложных формул и расчетов. Скорость обращения Земли вокруг Солнца составляет 107 тысяч километров в час.

Трудно даже попытаться себе вообразить эти сумасшедшие, нереальные цифры. К примеру, даже самая гоночного автомобиля - 300 километров в час - в 356 раз меньше скорости Земли по орбите.

Нам кажется, что всходит и восходит, что Земля неподвижна, а светило совершает круг по небу. Очень долгое время человечество именно так и думало, пока ученые не доказали: все происходит наоборот. Сегодня даже школьник знает, что в мире происходит: планеты плавно и торжественно движутся вокруг Солнца, а вовсе не наоборот. Происходит обращение Земли вокруг Солнца, а вовсе не так, как ранее считали древние люди.

Итак, мы выяснили, что скорость вращения земли вокруг оси и Солнца составляют соответственно 1670 км в час (на экваторе) и 107 тысяч километров в час соответственно. Ничего себе, мы летим!

Солнечный и звездный год

Полный круг, вернее, овал эллипсовидной формы, планета Земля обходит вокруг Солнца за 356 дней 5 часов 48 минут 46 секунд. Эти цифры астрономы называют "астрологическим годом". Поэтому на вопрос "Какова частота обращения Земли вокруг Солнца?" мы отвечаем просто и лаконично: "Год". Этот показатель остается неизменным, но почему-то раз в четыре года у нас случается високосный год, в котором на один день больше.

Просто астрономы давно договорились, что лишние 5 с "копейками" часов не считаются каждый год, а выбрали число астрономического года, кратное суткам. Таким образом, год составляет 365 дней. Но чтобы со временем не произошло сбоя, чтобы природные ритмы не сдвигались во времени, раз в четыре года в календаре появляется один-единственный лишний день в феврале. Эти четвертьсуток за 4 года "собираются" в полные сутки - и мы отмечаем високосный год. Таким образом, отвечая на вопрос о том, какова частота обращения Земли вокруг Солнца, смело говорите, что один год.

В ученом мире есть понятия "солнечный год" и "звездный (сидерический) год". Разница между ними составляет примерно 20 минут и наступает она из-за того, что наша планета быстрее совершает движения по орбите, чем Солнце возвращается в место, которые астрономы определили, как точка весеннего равноденствия. Мы уже знаем скорость обращения Земли вокруг Солнца, а полный период обращения Земли вокруг Солнца равен 1 году.

Дни и годы на других планетах

У девяти планет Солнечной системы — свои "понятия" о скорости, о том, что такие сутки и что такое астрономический год.

Планета Венера, к примеру, оборачивается вокруг себя 243 земных суток. Представляете, сколько там можно всего успеть за один день? И сколько длится ночь!

А вот на Юпитере все наоборот. Эта планета кружится вокруг оси с гигантской скоростью и успевает сделать оборот на 360 градусов за 9,92 часа.

Скорость прохода Земли по орбите вокруг Солнца составляет год (365 дней), а вот Меркурия — всего 58,6 земных суток. У Марса, ближайшей к Земле планете, сутки длятся почти столько же, как и на Земле — 24 с половиной часа, а вот год почти вдвое дольше — 687 суток.

Обращение Земли вокруг Солнца составляет 365 дней. А теперь давайте умножим эту цифру на 247,7 и получите один год на планете Плутон. У нас прошло тысячелетие, а на самой дальней планете в Солнечной системе — всего четыре года.

Вот такие парадоксальные величины и пугающие своей масштабностью цифры.

Загадочный эллипс

Для понимания, почему на планете Земля периодически меняются времена года, почему у нас, в средней полосе, а зимой холодно, важно не только ответить на вопрос о том, с какой скоростью вращается Земля вокруг Солнца, и по какому пути. Необходимо еще и понимать, как она это осуществляет.

А делает это она не по кругу, а по эллипсу. Если вокруг Солнца нарисовать орбиту Земли, то мы увидим, что ближе всего к светилу она находится в январе, а дальше всего — в июле. Самая ближняя точка положения Земли на орбите называется перигелий, а самая дальняя — афелий.

Поскольку земная ось находится не в строго вертикальном положении, а отклонена примерно на 23,4 градуса, а по отношению к эллипсоидной орбите угол наклона увеличивается до 66,3 градуса, то получается, что в разных положениях Земля подставляет Солнцу разные бока.

Из-за наклона орбиты Земля поворачивается к светилу разными полушариями, отсюда и смена погоды. Когда в Северном полушарии бушует зима, в Южном цветет жаркое лето. Пройдет полгода — и ситуация изменится с точностью до наоборот.

Крутись, земное светило!

А Солнце вокруг чего-нибудь вращается? Конечно же, да! В космосе нет абсолютно неподвижных объектов. Все планеты, все их спутники, все кометы и астероиды крутятся, как заводные. Конечно, у разных небесных тел и скорость вращения разная, и угол наклона оси, но все равно они всегда находятся в движении. И Солнце, которое является звездой, не исключение.

Солнечная система не является независимым замкнутым пространством. Она входит в огромную спиральную галактику под названием Млечный путь. В нее, в свою очередь, входит ни много ни мало еще 200 миллиардов звезд. Солнце движется по кругу относительно центра этой галактики. Скорость вращения Солнца вокруг оси и галактики Млечный путь ученые также рассчитали с помощью многолетних наблюдений и математических формул.

Сегодня имеются такие данные. Свой полный цикл кругового движения вокруг Млечного пути Солнце проходит за 226 миллионов лет. В астрономической науке эта цифра имеет название "галактический год". При этом если представить себе поверхность галактики плоской, то наше светило совершает небольшие колебания то вверх, то вниз, оказываясь попеременно то в Северном, то в Южном полушарии Млечного пути. Частота таких колебаний составляет 30-35 миллионов лет.

Ученые считают, что Солнце за время существования Галактики успело сделать 30 полных оборотов вокруг Млечного пути. Таком образом, Солнце пока прожило всего 30 галактических лет. Во всяком случае, так утверждают ученые.

Большинство ученых считают, что жизнь на Земле зародилась 252 миллиона лет назад. Таким образом, можно утверждать, что первые живые организмы на Земле появились, когда Солнце совершало свой 29-й оборот вокруг Млечного пути, то есть, на 29-м году его галактической жизни.

Тело и газы движутся с разной скоростью

Мы узнали много интересных фактов. Показатель скорости обращения Земли вокруг Солнца мы уже знаем, выяснили, что такое астрономический и галактический год, с какой скоростью движутся по своим орбитам Земля и Солнце, а теперь определим, с какой скоростью обращается Солнце вокруг оси.

То, что Солнце вращается, замечали еще древние исследователи. На нем периодически то появлялись, то исчезали похожие пятна, что и позволило сделать вывод о его вращении вокруг оси. Но вот с какой скоростью? Ученые, обладая самыми современными методами исследования, очень долго спорили по этому поводу.

Ведь наше светило имеет очень сложный состав. Его тело — твердожидкое. Внутри находится твердое ядро, вокруг которого расположилась горячая жидкая мантия. Над ней — твердая кора. Плюс ко всему этому поверхность Солнца окутана раскаленным газом, который постоянно горит. Это тяжелый газ, который состоит в основном из водорода.

Так вот, само тело Солнца вращается медленно, а этот горящий газ — быстро.

25 дней и 22 года

Внешняя оболочка Солнца делает полное вращение вокруг оси за 27 с половиной дней. Астрономы смогли это определить, наблюдая за солнечными пятнами. Но это среднее значение. К примеру, на экваторе вращаются быстрее и делают оборот вокруг оси за 25 дней. У полюсов пятна перемещаются со скоростью от 31 до 36 дней.

Само же тело звезды оборот вокруг оси совершает за 22,14 года. В общем, за сто лет земной жизни Солнце обернется вокруг оси всего четыре с половиной раза.

Почему ученые так точно изучают скорость вращения нашего светила?

Потому что это дает ответы на многие вопросы эволюции. Ведь звезда Солнце является источником жизни всего живого на Земле. Именно из-за вспышек на Солнце, как считают многие исследователи, на Земле появилась жизнь (252 миллиона лет назад). И именно из-за поведения Солнца в древности погибли динозавры и другие пресмыкающиеся.

Свети нам ярко, Солнце!

Люди постоянно задаются вопросом о том, а не исчерпает ли Солнце свою энергию, не погаснет ли оно? Конечно же, погаснет — в мире нет ничего вечного. И для таких массивных звезд есть время зарождения, активности и затухания. Но пока что Солнце находится в середине эволюционного цикла и энергии у него достаточно. Кстати, в самом начале эта звезда была менее яркая. Астрономы определили, что на самых ранних стадиях развития яркость Солнца была процентов на 70 ниже, чем сейчас.

17.03.11 15:54

Вы когда-либо задавались вопросом относительно того, как быстро Земля вращается вокруг своей оси и каким образом нам удаётся устойчиво ходит по Земле, несмотря на то, что скорость её вращения всё-таки не маленькая? Начнём с того, что Земля обладает силой притяжения, которая и удерживает нас на ней, а огромная инерция Земли не позволяет нам чувствовать вращение! Эта статья поможет нам выяснить, какая же скорость Земли вокруг своей оси, а также расскажет нам, как быстро Земля вращается вокруг Солнца.

Когда мы говорим о скорости Земли, мы должны иметь в виду, что скорость величина относительная и поэтому всегда измеряется по сравнению с другим относительным объектом. Это означает, что движение может быть измерено только, когда есть контрольная точка. Например, скорость Земли может быть вычислена только относительно собственной оси, Млечного пути, Солнечной Системы, окружающих астрономических объектов или Солнца. Поэтому для выяснения, например, скорости вращения Земли вокруг Солнца приходиться использовать специальные Астрономические Единицы. Земле требуется один год или 365 дней, чтобы пройти один оборот вокруг Солнца. По своей орбите вокруг Солнца Земля проходит 150 миллион км. Следовательно, Земля вращается вокруг Солнца со скоростью приблизительно 30 км/сек.

Земля делает полный оборот вокруг оси за 23 часа 56 минут и 04,09053 секунды, это время приблизительно и взято за продолжительность суток - 24 часа. Земная ось - воображаемая линия, которая проходит через центр Земли, Северный и Южный полюса. Чтобы понять, как быстро вращается Земля, мы должны выяснить с какой скоростью вращается Земля на экваторе. Для этого нам необходимо знать длину окружности Земли на экваторе, которая, составляет 40 070 км. Теперь просто разделив длину окружности экватора на продолжительность суток, мы получим скорость вращения земли вокруг своей оси:

Если вы хотите найти расписание электричек в Екатеринбурге то сайт наших партнеров пойдет Вам на пользу.

40070км/ 24ч = 1674,66 км/ч
Величина 1674,66 км/ч - ответ на вопрос, с какой скоростью Земля вращается вокруг своей оси на экваторе. Однако, эту скорость нельзя рассмотреть как константу, поскольку скорость вращения в различных местах отличается. Скорость меняется в зависимости от местоположения точки земной поверхности, т.е на каком расстояния данная точка находиться от экватора. Всё дело в том, что на экваторе длина окружность Земли наибольшая, и, следовательно, находясь на экваторе, вы вместе с земной поверхностью за 24 часа проходите вокруг Земной оси наибольшее расстояние. Однако, приближаясь к Северному полюсу, длина окружности земной поверхности уменьшается, и Вы вместе с Землей проходите за 24 часа меньшее расстояние.

В идеальном случае скорость вращения на Северном и Южном полюсах падает до нуля! Таким образом, скорость вращения Земли вокруг своей оси зависит от широтного местоположения места. Наибольшая скорость на экваторе, затем она уменьшается по мере приближения к Северному или Южному полюсу. Например, скорость вращения Земли на Аляске составляет всего 570 км в час! В средних широтах скорость вращения достигает своего среднего значения. Например, в таких местах, как Нью-Йорк и Европа, скорость вращения Земли приблизительно составляет 1125 -1450 км/ч.

Мы надеемся, что теперь Вы стали более осведомлены по вопросу о том, насколько быстро Земля вращается вокруг своей собственной оси. Чтобы вычислить длину окружность земли в том месте, где Вы находитесь, Вам просто нужно определить косинус угла своей широты, которая, как известно, задаётся в углах, просто внимательнее взгляните на карту. Затем надо умножить эту величину на длину окружности Земли на экваторе, чтобы получить длину окружности на вашей широте. Разделив длину окружности на 24 (количество часов в сутках) Вы и получите скорость вращения Земли вокруг своей оси в том месте, где Вы находитесь.

Земля находится постоянно в движении, вращаясь вокруг Солнца и вокруг своей собственной оси. Это движение и постоянный наклон оси Земли (23,5°) определяет многие эффекты, которые мы наблюдаем как нормальные явления: ночь и день (из-за вращения Земли вокруг своей оси), смена сезонов (из-за наклона оси Земли), и разный климат в различных областях. Глобусы можно вращать и их ось имеет наклон как и ось Земли (23,5°), поэтому с помощью глобуса можно проследить движение Земли вокруг своей оси довольно точно, а с помощью системы "Земля - Солнце" можно проследить движение Земли вокруг Солнца.

Вращение Земли вокруг своей оси

Земля вращается вокруг своей собственной оси с запада на восток (против часовой стрелки, если смотреть со стороны Северного полюса). Земле требуются 23 часа, 56 минут, и 4.09 секунды, чтобы закончить один полный оборот вокруг собственной оси. День и ночь обусловлены вращением Земли. Угловая скорость вращения Земли вокруг своей оси или угол, на который поворачивается любая точка на поверхности Земли, одинаков. Он составляет 15 градусов за один час. А вот линейная скорость вращения в любом месте на экваторе составляет приблизительно 1 669 километров в час (464 м/с), уменьшаясь до нуля на полюсах. Например, скорость вращения на широте 30° - 1445 км/ч (400 м/с).
Мы не замечаем вращения Земли по той простой причине, что параллельно и одновременно с нами движутся с той же скоростью все предметы вокруг нас и нет "относительных" движений предметов вокруг нас. Если, например, корабль будет идти равномерно, без ускорения и торможения по морю в спокойную погоду без волнения на поверхности воды, мы совсем не будем ощущать того, как такой корабль движется, если будем находиться в каюте без иллюминатора, поскольку все предметы внутри каюты будут двигаться параллельно вместе с нами и кораблём.

Движение Земли вокруг Солнца

В то время, как Земля вращается вокруг собственной оси, она обращается и вокруг Солнца с запада на восток против часовой стрелки, если смотреть с северного полюса. Земле требуется один звездный год (около 365,2564 суток), чтобы закончить один полный оборот вокруг Солнца. Путь движения Земли вокруг Солнца называется орбитой Земли и эта орбита не идеально круглая. Среднее расстояние от Земли до Солнца - приблизительно 150 миллионов километров, и это расстояние изменяется до 5 миллионов километров, формируя небольшой овал орбиты (эллипс). Ближайшая к Солнцу точка орбиты Земли, называется - Перигелий. Земля проходит эту точку в начале января. Наиболее удалённая от Солнца точка орбиты Земли, называется - Афелий. Земля проходит эту точку в начале июля.
Так как наша Земля движется вокруг Солнца по эллиптической траектории, то скорость по орбите изменяется. В июле скорость минимальна (29,27 км/сек) и после прохождения афелия (верхняя красная точка на анимации) она начинает ускоряться, а в январе скорость максимальна (30,27 км/сек) и начинает замедляться после прохождения перигелия (нижняя красная точка).
В то время, пока Земля делает один оборот вокруг Солнца, она преодолевает расстояние равное 942 миллионов километров за 365 дней, 6 часов, 9 минут и 9.5 секунд, то есть мы мчимся вместе с Землёй вокруг Солнца со средней скоростью 30 км в секунду (или 107 460 км в час), и в тоже самое время Земля вращается вокруг своей собственной оси за 24 часа один раз (за год 365 раз).
На самом деле, если рассматривать движение Земли более скрупулёзно, то оно намного сложнее, так как на Землю влияют различные факторы: вращение Луны вокруг Земли, притяжение других планет и звезд.

V = (R e R p R p 2 + R e 2 t g 2 φ + R p 2 h R p 4 + R e 4 t g 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 } , где R e {\displaystyle R_{e}} = 6378,1 км - экваториальный радиус, R p {\displaystyle R_{p}} = 6356,8 км - полярный радиус.

• Самолёт, летящий с этой скоростью с востока на запад (на высоте 12 км: 936 км/ч на широте Москвы , 837 км/ч на широте Санкт-Петербурга) в инерциальной системе отсчёта будет покоиться.
• Суперпозиция вращения Земли вокруг оси с периодом в одни звёздные сутки и вокруг Солнца с периодом в один год приводит к неравенству солнечных и звёздных суток: длина средних солнечных суток составляет ровно 24 часа, что на 3 минуты 56 секунд длиннее звёздных суток.

Физический смысл и экспериментальные подтверждения

Физический смысл вращения Земли вокруг оси

Поскольку любое движение является относительным, необходимо указывать конкретную систему отсчета , относительно которой изучается движение того или иного тела. Когда говорят, что Земля вращается вокруг воображаемой оси, имеется в виду, что она совершает вращательное движение относительно любой инерциальной системы отсчёта , причем период этого вращения равен звездным суткам - периоду полного оборота Земли (небесной сферы) относительно небесной сферы (Земли).

Все экспериментальные доказательства вращения Земли вокруг оси сводятся к доказательству того, что система отсчёта, связанная с Землей, является неинерциальной системой отсчёта специального вида - системой отсчета, совершающей вращательное движение относительно инерциальных систем отсчёта .

В отличие от инерциального движения (то есть равномерного прямолинейного движения относительно инерциальных систем отсчета), для обнаружения неинерциального движения замкнутой лаборатории не обязательно производить наблюдения над внешними телами, - такое движение обнаруживается с помощью локальных экспериментов (то есть экспериментов, произведенных внутри этой лаборатории). В этом смысле слова неинерциальное движение, включая вращение Земли вокруг оси, может быть названо абсолютным.

Силы инерции

Эффекты центробежной силы

Зависимость ускорения свободного падения от географической широты. Эксперименты показывают, что ускорение свободного падения зависит от географической широты : чем ближе к полюсу, тем оно больше. Это объясняется действием центробежной силы. Во-первых, точки земной поверхности, расположенные на более высоких широтах, ближе к оси вращения и, следовательно, при приближении к полюсу расстояние r {\displaystyle r} от оси вращения уменьшается, доходя до нуля на полюсе. Во-вторых, с увеличением широты угол между вектором центробежной силы и плоскостью горизонта уменьшается, что приводит к уменьшению вертикальной компоненты центробежной силы.

Это явление было открыто в 1672 году, когда французский астроном Жан Рише , находясь в экспедиции в Африке , обнаружил, что у экватора маятниковые часы идут медленнее, чем в Париже . Ньютон вскоре объяснил это тем, что период колебаний маятника обратно пропорционален квадратному корню из ускорения свободного падения, которое уменьшается на экваторе из-за действия центробежной силы.

Сплюснутость Земли. Влияние центробежной силы приводит к сплюснутости Земли у полюсов. Это явление, предсказанное Гюйгенсом и Ньютоном в конце XVII века, было впервые обнаружено Пьером де Мопертюи в конце 1730-х годов в результате обработки данных двух французских экспедиций, специально снаряженных для решения этой проблемы в Перу (под руководством Пьера Бугера и Шарля де ла Кондамина) и Лапландию (под руководством Алексиса Клеро и самого Мопертюи).

Эффекты силы Кориолиса: лабораторные эксперименты

Наиболее отчетливо этот эффект должен быть выражен на полюсах, где период полного поворота плоскости маятника равен периоду вращения Земли вокруг оси (звёздным суткам). В общем случае, период обратно пропорционален синусу географической широты , на экваторе плоскость колебаний маятника неизменна.

Гироскоп - вращающееся тело со значительным моментом инерции сохраняет момент импульса, если нет сильных возмущений. Фуко, которому надоело объяснять, что происходит с маятником Фуко не на полюсе, разработал другую демонстрацию: подвешенный гироскоп сохранял ориентацию, а значит медленно поворачивался относительно наблюдателя.

Отклонение снарядов при орудийной стрельбе. Другим наблюдаемым проявлением силы Кориолиса является отклонение траекторий снарядов (в северном полушарии вправо, в южном - влево), выстреливаемых в горизонтальном направлении. С точки зрения инерциальной системы отсчета, для снарядов, выстреливаемых вдоль меридиана , это связано с зависимостью линейной скорости вращения Земли от географической широты: при движении от экватора к полюсу снаряд сохраняет горизонтальную компоненту скорости неизменной, в то время как линейная скорость вращения точек земной поверхности уменьшается, что приводит к смещению снаряда от меридиана в сторону вращения Земли. Если выстрел был произведен параллельно экватору, то смещение снаряда от параллели связано с тем, что траектория снаряда лежит в одной плоскости с центром Земли, в то время как точки земной поверхности движутся в плоскости, перпендикулярной оси вращения Земли . Этот эффект (для случая стрельбы вдоль меридиана) был предсказан Гримальди в 40-х годах XVII в. и впервые опубликован Риччоли в 1651 г.

Отклонение свободно падающих тел от вертикали. ( ) Если скорость движения тела имеет большую вертикальную составляющую, сила Кориолиса направлена к востоку, что приводит к соответствующему отклонению траектории тела, свободно падающего (без начальной скорости) с высокой башни . При рассмотрении в инерциальной системе отсчета эффект объясняется тем, что вершина башни относительно центра Земли движется быстрее, чем основание , благодаря чему траектория тела оказывается узкой параболой и тело слегка опережает основание башни .

Эффект Этвёша. На низких широтах сила Кориолиса при движении по земной поверхности направлена в вертикальном направлении и её действие приводит к увеличению или уменьшению ускорения свободного падения, в зависимости от того, движется ли тело на запад или восток. Этот эффект назван эффектом Этвёша в честь венгерского физика Лоранда Этвёша , экспериментально обнаружившего его в начале XX века.

Опыты, использующие закон сохранения момента импульса. Некоторые эксперименты основаны на законе сохранения момента импульса : в инерциальной системе отсчёта величина момента импульса (равная произведению момента инерции на угловую скорость вращения) под действием внутренних сил не меняется. Если в некоторый начальный момент времени установка неподвижна относительно Земли, то скорость её вращения относительно инерциальной системы отсчета равна угловой скорости вращения Земли. Если изменить момент инерции системы, то должна измениться угловая скорость её вращения, то есть начнётся вращение относительно Земли. В неинерциальной системе отсчёта, связанной с Землёй, вращение возникает в результате действия силы Кориолиса. Эта идея была предложена французским учёным Луи Пуансо в 1851 г.

Первый такой эксперимент был поставлен Хагеном в 1910 г.: два груза на гладкой перекладине были установлены неподвижно относительно поверхности Земли. Затем расстояние между грузами было уменьшено. В результате установка пришла во вращение . Ещё более наглядный опыт поставил немецкий учёный Ханс Букка (Hans Bucka) в 1949 г. Стержень длиной примерно 1,5 метра был установлен перпендикулярно прямоугольной рамке. Первоначально стержень был горизонтален, установка была неподвижной относительно Земли. Затем стержень был приведен в вертикальное положение, что привело к изменению момента инерции установки примерно в 10 4 раз и её быстрому вращению с угловой скоростью, в 10 4 раз превышающей скорость вращения Земли .

Воронка в ванне.

Поскольку сила Кориолиса очень слаба, она оказывает пренебрежимо малое влияние на направление закручивания воды при сливе в раковине или ванне, поэтому в общем случае направление вращения в воронке не связано с вращением Земли. Лишь только в тщательно контролируемых экспериментах можно отделить действие силы Кориолиса от других факторов: в северном полушарии воронка будет закручена против часовой стрелки, в южном - наоборот .

Эффекты силы Кориолиса: явления в окружающей природе

Оптические эксперименты

В основе ряда опытов, демонстрирующих вращение Земли, используется эффект Саньяка : если кольцевой интерферометр совершает вращательное движение, то вследствие релятивистских эффектов во встречных лучах появляется разность фаз

Δ φ = 8 π A λ c ω , {\displaystyle \Delta \varphi ={\frac {8\pi A}{\lambda c}}\omega ,}

где A {\displaystyle A} - площадь проекции кольца на экваториальную плоскость (плоскость, перпендикулярную оси вращения), c {\displaystyle c} - скорость света , ω {\displaystyle \omega } - угловая скорость вращения. Для демонстрации вращения Земли этот эффект был использован американским физиком Майкельсоном в серии экспериментов, поставленных в 1923-1925 гг. В современных экспериментах, использующих эффект Саньяка, вращение Земли необходимо учитывать для калибровки кольцевых интерферометров.

Существует ряд других экспериментальных демонстраций суточного вращения Земли .

Неравномерность вращения

Прецессия и нутация

История идеи суточного вращения Земли

Античность

Объяснение суточного вращения небосвода вращением Земли вокруг оси впервые было предложено представителями пифагорейской школы , сиракузянами Гикетом и Экфантом . Согласно некоторым реконструкциям, вращение Земли утверждал также пифагореец Филолай из Кротона (V век до н. э.). Высказывание, которое можно трактовать как указание на вращение Земли, содержится в Платоновском диалоге Тимей .

Однако о Гикете и Экфанте практически ничего неизвестно, и даже само их существование иногда подвергается сомнению . Согласно мнению большинства ученых, Земля в системе мира Филолая совершала не вращательное, а поступательное движение вокруг Центрального огня. В других своих произведениях Платон следует традиционному мнению о неподвижности Земли. Однако до нас дошли многочисленные свидетельства, что идею вращения Земли отстаивал философ Гераклид Понтийский (IV век до н. э.) . Вероятно, с гипотезой о вращении Земли вокруг оси связано ещё одно предположение Гераклида: каждая звезда представляет собой мир, включающий землю, воздух, эфир, причем всё это располагается в бесконечном пространстве. Действительно, если суточное вращение неба является отражением вращения Земли, то исчезает предпосылка считать звезды находящимися на одной сфере.

Примерно столетие спустя предположение о вращении Земли стало составной частью первой , предложенной великим астрономом Аристархом Самосским (III век до н. э.) . Аристарха поддержал вавилонянин Селевк (II век до н. э.) , также, как и Гераклид Понтийский , считавший Вселенную бесконечной. О том, что идея суточного вращения Земли имела своих сторонников ещё в I веке н. э., свидетельствуют некоторые высказывания философов Сенеки , Деркиллида, астронома Клавдия Птолемея . Подавляющее большинство астрономов и философов, однако, не сомневалось в неподвижности Земли.

Аргументы против идеи движения Земли имеются в произведениях Аристотеля и Птолемея . Так, в своем трактате О Небе Аристотель обосновает неподвижность Земли тем, что на вращающейся Земле брошенные вертикально вверх тела не могли бы упасть в ту точку, из которой началось их движение: поверхность Земли сдвигалась бы под брошенным телом . Другой довод в пользу неподвижности Земли, приводимый Аристотелем, основан на его физической теории: Земля является тяжелым телом, а для тяжелых тел свойственно движение к центру мира, а не вращение вокруг него.

Из сочинения Птолемея следует, что сторонники гипотезы вращения Земли на эти доводы отвечали, что и воздух и все земные предметы совершают движение вместе с Землей. По всей видимости, роль воздуха в этом рассуждении принципиально важна, поскольку подразумевается, что именно его движение вместе с Землей скрывает вращение нашей планеты. Птолемей на это возражает, что

находящиеся в воздухе тела всегда будут казаться отстающими… А если бы тела вращались вместе с воздухом как одно целое, то никакое из них не казалось бы опережающим другое или отстающим от него, но оставалось бы на месте, в полете и бросании оно не совершало бы отклонений или движений в другое место вроде тех, которые мы воочию видим совершающимися, и у них вообще не происходило бы замедления или ускорения, оттого что Земля не является неподвижной .

Средние века

Индия

Первым из средневековых авторов, высказавший предположение о вращении Земли вокруг оси, был великий индийский астроном и математик Ариабхата (кон. V - нач. VI вв.). Он формулирует её в нескольких местах своего трактата Ариабхатия , например:

Точно также, как человек на движущемся вперед корабле видит закрепленные объекты движущимися назад, так и наблюдатель… видит неподвижные звезды движущимися по прямой линии на запад .

Неизвестно, принадлежит ли эта идея самому Ариабхате или он её заимствовал у древнегреческих астрономов .

Ариабхату поддержал только один астроном, Пртхудака (IX век) . Большинство индийских ученых отстаивало неподвижность Земли. Так, астроном Варахамихира (VI в.) утверждал, что на вращающейся Земле летящие в воздухе птицы не могли бы вернуться к своим гнездам, а камни и деревья слетали бы с поверхности Земли. Выдающийся астроном Брахмагупта (VI в.) повторил также старый аргумент, что тело, упавшее с высокой горы, но смогло бы опуститься к её основанию. При этом он, однако, отверг один из доводов Варахамихиры : по его мнению, даже если бы Земля вращалась, предметы не могли бы оторваться от неё вследствие своей тяжести.

Исламский Восток

Возможность вращения Земли рассматривали многие ученые мусульманского Востока. Так, известный геометр ас-Сиджизи изобрел астролябию , принцип действия которой основан на этом предположении . Некоторые исламские ученые (имена которых до нас не дошли) даже нашли правильный способ опровержения основного довода против вращения Земли: вертикальности траекторий падающих тел. По существу, при этом был высказан принцип суперпозиции движений, согласно которому любое перемещение можно разложить на два или несколько составляющих: по отношению к поверхности вращающейся Земли падающее тело двигается по отвесной линии, но точка, являющаяся проекцией этой линии на поверхность Земли, переносится бы её вращением. Об этом свидетельствует знаменитый ученый-энциклопедист ал-Бируни , который сам, однако, склонялся к неподвижности Земли. По его мнению, если на падающее тело будет действовать какая-то дополнительная сила, то результат её действия на вращающейся Земле приведет к некоторым эффектам, которые на самом деле не наблюдаются .

Среди ученых XIII-XVI веков, связанных с Марагинской и Самаркандской обсерваториями, развернулась дискуссия о возможности эмпирического обоснования неподвижности Земли. Так, известный астроном Кутб ад-Дин аш-Ширази (XIII-XIV вв.) полагал, что неподвижность Земли может быть удостоверена экспериментом. С другой стороны, основатель Марагинской обсерватории Насир ад-Дин ат-Туси полагал, что если бы Земля вращалась, то это вращение разделял бы слой воздуха, прилегающий к её поверхности, и все движения вблизи поверхности Земли происходили бы точно также, как если бы Земля была неподвижной. Он это обосновывал с помощью наблюдений комет: согласно Аристотелю , кометы являются метеорологическим явлением в верхних слоях атмосферы; тем не менее, астрономические наблюдения показывают, что кометы принимают участие в суточном вращении небесной сферы. Следовательно, верхние слои воздуха увлекаются вращением небосвода, поэтому и нижние слои также могут увлекаться вращением Земли. Таким образом, эксперимент не может дать ответ на вопрос о том, вращается ли Земля. Однако он оставался сторонником неподвижности Земли, поскольку это соответствовало философии Аристотеля.

Большинство исламских учёных более позднего времени (аль-Урди , аль-Казвини , ан-Найсабури , ал-Джурджани , ал-Бирджанди и другие) были согласны с ат-Туси, что все физические явления на вращающейся и неподвижной Землей проистекали бы одинаково. Однако роль воздуха при этом уже не считалась принципиальной: не только воздух, но и все предметы переносятся вращающейся Землей. Следовательно, для обоснования неподвижности Земли необходимо привлекать учение Аристотеля .

Особую позицию в этих спорах занял третий директор Самаркандской обсерватории Алауддин Али аль-Кушчи (XV в.), отвергавший философию Аристотеля и считавший вращение Земли физически возможным . В XVII веке к аналогичному выводу пришел иранский теолог и ученый-энциклопедист Баха ад-Дин ал-Амили . По его мнению, астрономы и философы не представили достаточных доказательств, опровергающих вращение Земли .

Латинский Запад

Подробное обсуждение возможности движения Земли широко содержится в сочинениях парижских схоластов Жана Буридана , Альберта Саксонского , и Николая Орема (вторая половина XIV в.). Важнейшим аргументом в пользу вращения Земли, а не неба, приведенным в их работах, является малость Земли по сравнению со Вселенной, что делает приписывание суточного вращения небосвода Вселенной в высшей степени противоестественным.

Однако все эти ученые в конечном итоге отвергли вращение Земли, хотя и на разных основаниях. Так, Альберт Саксонский полагал, что эта гипотеза не способна объяснить наблюдаемые астрономические явления. С этим справедливо не согласились Буридан и Орем , по мнению которых небесные явления должны происходить одинаково независимо от того, что совершает вращение, Земля или Космос. Буридан смог найти только один существенный довод против вращения Земли: стрелы, пускаемые вертикально вверх, падают вниз по отвесной линии, хотя при вращении Земли они, по его мнению, должны были бы отставать от движения Земли и падать к западу от точки выстрела.

Но даже и этот довод был отвергнут Оремом . Если Земля вращается, то стрела летит вертикально вверх и одновременно с этим движется на восток, будучи захваченная воздухом, вращающимся вместе с Землей. Таким образом, стрела должна упасть на то же место, откуда она была выпущена. Хотя здесь снова упоминается об увлекающей роли воздуха, в действительности он не играет особой роли. Об этом говорит следующая аналогия:

Подобным образом, если бы воздух был закрыт в движущемся судне, то человеку, окруженному этим воздухом, показалось бы, что воздух не движется… Если бы человек находился в корабле, движущемся с большой скоростью на восток, не зная об этом движении, и если бы он вытянул руку по прямой линии вдоль мачты корабля, ему бы показалось, что его рука совершает прямолинейное движение; точно так же, согласно этой теории, нам представляется, что такая же вещь происходит со стрелой, когда мы пускаем её вертикально вверх или вертикально вниз. Внутри корабля, движущегося с большой скоростью на восток, могут иметь место все виды движения: продольное, поперечное, вниз, вверх, во всех направлениях - и они кажутся точно такими же, как тогда, когда корабль пребывает неподвижным.

Далее Орем приводит формулировку, предвосхищающую принцип относительности :

Я заключаю, следовательно, что с помощью какого бы то ни было опыта невозможно продемонстрировать, что небеса имеют суточное движение и что Земля его не имеет.

Тем не менее, окончательный вердикт Орема о возможности вращения Земли был отрицательным. Основанием для такого вывода был текст Библии :

Однако до сих пор все поддерживают и я верю, что они [Небеса], а не Земля движется, ибо «Бог сотворил круг Земли, который не поколеблется», несмотря на все противоположные аргументы.

О возможности суточного вращения Земли упоминали и средневековые европейские ученые и философы более позднего времени, однако никаких новых аргументов, не содержавшихся у Буридана и Орема , добавлено не было.

Таким образом, практически никто из средневековых ученых так и не принял гипотезу о вращении Земли. Однако в ходе её обсуждения учеными Востока и Запада было высказано множество глубоких мыслей, которые потом будут повторены учеными Нового времени.

Эпоха Возрождения и Новое время

В первой половине XVI века увидели свет несколько сочинений, утверждавших, что причиной суточного вращения небосвода является вращение Земли вокруг оси. Одним из них был трактат итальянца Челио Кальканьини «О том, что небо неподвижно, а Земля вращается, или о вечном движении Земли» (написан около 1525 г., издан в 1544 г.). Он не произвел большого впечатления на современников, поскольку к тому времени уже был опубликован фундаментальный труд польского астронома Николая Коперника «О вращениях небесных сфер» (1543 г.), где гипотеза суточного вращения Земли у него стала частью гелиоцентрической системы мира , как у Аристарха Самосского . Свои мысли Коперник ранее изложил в небольшом рукописном сочинении Малый Комментарий (не ранее 1515 г.). Два года ранее основного труда Коперника вышло сочинение немецкого астронома Георга Иоахима Ретика Первое повествование (1541 г.), где популярно изложена теория Коперника.

В XVI веке Коперника полностью поддержали астрономы Томас Диггес , Ретик , Кристоф Ротман, Михаэль Мёстлин , физики Джамбатиста Бенедетти , Симон Стевин , философ Джордано Бруно , богослов Диего де Цунига . Некоторые учёные принимали вращение Земли вокруг оси, отвергая её поступательное движение. Такова была позиция немецкого астронома Николаса Реймерса , известного также как Урсус, а также итальянских философов Андреа Чезальпино и Франческо Патрици . Не совсем ясна точка зрения выдающегося физика Вильяма Гильберта , который поддержал осевое вращение Земли, но не высказывался по поводу её поступательного движения. В начале XVII века гелиоцентрическая система мира (включая вращение Земли вокруг оси) получила внушительную поддержку со стороны Галилео Галилея и Иоганна Кеплера . Наиболее влиятельными противниками идеи движения Земли в XVI - начале XVII века были астрономы Тихо Браге и Христофор Клавиус .

Гипотеза о вращении Земли и становление классической механики

По существу, в XVI-XVII вв. единственным аргументом в пользу осевого вращения Земли было то, что в этом случае отпадает надобность в приписывании звездной сфере огромных скоростей вращения, ведь ещё в античности уже было надежно установлено, что размер Вселенной значительно превышает размер Земли (этот аргумент содержался ещё у Буридана и Орема).

Против этой гипотезы высказывались соображения, основанные на динамических преставлениях того времени. Прежде всего, это вертикальность траекторий падающих тел . Появились и другие доводы, например, равная дальность стрельбы в восточном и западном направлениях. Отвечая на вопрос о ненаблюдаемости эффектов суточного вращения в земных экспериментах, Коперник писал:

Вращается не только Земля с соединенной с ней водной стихией, но также и немалая часть воздуха и все, что каким-либо образом сродно с Землёй, или уже ближайший к Земле воздух пропитанный земной и водной материей, следует тем же самым законам природы, что и Земля, или имеет приобретенное движение, которое сообщается ему прилегающей Землей в постоянном вращении и без всякого сопротивления

Таким образом, главную роль в ненаблюдаемости вращения Земли играет увлечение воздуха её вращением. Такого же мнения придерживались и большинство коперниканцев в XVI веке.

Сторонниками бесконечности Вселенной в XVI веке были также Томас Диггес , Джордано Бруно , Франческо Патрици - все они поддерживали гипотезу о вращении Земли вокруг оси (а первые двое - также вокруг Солнца). Кристоф Ротман и Галилео Галилей полагали звезды расположенными на разных расстояниях от Земли, хотя явно не высказывались по поводу бесконечности Вселенной. С другой стороны, Иоганн Кеплер отрицал бесконечность Вселенной, хотя и был сторонником вращения Земли.

Религиозный контекст споров о вращении Земли

Ряд возражений против вращения Земли был связан с её противоречиями тексту Священного Писания. Эти возражения были двух видов. Во-первых, некоторые места в Библии приводились в подтверждение того, что суточное движение совершает именно Солнце, например:

Восходит солнце и заходит солнце, и спешит к месту своему, где оно восходит .

В данном случае под удар попадало осевое вращение Земли, поскольку движение Солнца с востока на запад является частью суточного вращения небосвода. Часто в этой связи цитировался отрывок из книги Иисуса Навина :

Иисус воззвал к Господу в тот день, в который предал Господь Аморрея в руки Израилю, когда побил их в Гаваоне, и они побиты были пред лицем сынов Израилевых, и сказал пред Израильтянами: стой, солнце, над Гаваоном, и луна, над долиною Авалонскою !

Поскольку команда остановиться была дана Солнцу, а не Земле, отсюда делался вывод, что суточное движение совершает именно Солнце. Другие отрывки приводились в поддержку неподвижности Земли, например:

Ты поставил землю на твердых основах: не поколеблется она во веки и веки .

Эти отрывки считались противоречащими как мнению о вращении Земли вокруг оси, так и обращению вокруг Солнца.

Сторонники вращения Земли (в частности, Джордано Бруно , Иоганн Кеплер и особенно Галилео Галилей ) проводили защиту по нескольким направлениям. Во-первых, они указывали, что Библия написана языком, понятным простым людям, и если бы её авторы давали четкие с научной точки зрения формулировки, она не смогла бы выполнять свою основную, религиозную миссию . Так, Бруно писал:

Во многих случаях глупо и нецелесообразно приводить много рассуждений скорее в соответствии с истиной, чем соответственно данному случаю и удобству. Например, если бы вместо слов: «Солнце рождается и поднимается, переваливает через полдень и склоняется к Аквилону» - мудрец сказал: «Земля идет по кругу к востоку и, покидая солнце, которое закатывается, склоняется к двум тропикам, от Рака к Югу, от Козерога к Аквилону», - то слушатели стали бы раздумывать: «Как? Он говорит, что Земля движется? Что это за новости?» В конце концов они его сочли бы за глупца, и он действительно был бы глупцом .

Такого рода ответы давались в основном на возражения, касавшиеся суточного движения Солнца. Во-вторых, отмечалось, что некоторые отрывки Библии должны быть трактованы аллегорически (см. статью Библейский аллегоризм). Так, Галилей отмечал, что если Св. Писание целиком понимать буквально, то окажется, что у Бога есть руки, он подвержен эмоциям типа гнева и т. п. В целом, главной мыслью защитников учения о движении Земли было то, что наука и религия имеют разные цели: наука рассматривает явления материального мира, руководствуясь доводами разума, целью религии является моральное усовершенствование человека, его спасение. Галилей в этой связи цитировал кардинала Баронио , что Библия учит тому, как взойти на небеса, а не тому, как устроены небеса.

Эти доводы были сочтены католической церковью неубедительными, и в 1616 г. учение о вращении Земли было запрещено, а в 1631 г. Галилей был осужден судом инквизиции за его защиту. Однако за пределами Италии этот запрет не оказал существенного влияния на развитие науки и способствовал главным образом падению авторитета самой католической церкви.

Необходимо добавить, что религиозные доводы против движения Земли приводили не только церковные деятели, но и ученые (например, Тихо Браге ). С другой стороны, католический монах Паоло Фоскарини написал небольшое сочинение «Письмо о воззрениях пифагорейцев и Коперника на подвижность Земли и неподвижность Солнца и о новой пифагорейской системе мироздания» (1615 г.), где высказывал соображения, близкие к галилеевским, а испанский богослов Диего де Цунига даже использовал теорию Коперника для толкования некоторых мест Священного Писания (хотя впоследствии он изменил своё мнение). Таким образом, конфликт между богословием и учением о движении Земли был не столько конфликтом между наукой и религией как таковыми, сколько конфликтом между старыми (к началу XVII века уже устаревшими) и новыми методологическими принципами, полагаемыми в основу науки.

Значение гипотезы о вращении Земли для развития науки

Осмысление научных проблем, поднимаемых теорией вращающейся Земли, способствовало открытию законов классической механики и созданию новой космологии, в основе которой лежит представление о безграничности Вселенной. Обсуждавшиеся в ходе этого процесса противоречия между этой теорией и буквалистским прочтением Библии способствовали размежеванию естествознания и религии.

Наша звезда, снятая через фильтры

При наблюдении с Земли измеренная скорость вращения составляет 24,47 суток, но если вычесть скорость вращения самой Земли вокруг Солнца она составляет 25,38 земных суток.

Астрономы называют это сидерическим периодом вращения, который отличается от синодического периода количеством времени, необходимого для того, чтобы пятна повернулись вокруг Солнца при наблюдении с Земли.

Скорость вращения пятен уменьшается по мере приближения к полюсам, так что на полюсах период вращения вокруг оси может достигать 38 дней.

Наблюдения вращения

Движение Солнца хорошо заметно, если наблюдать его пятна. Все пятна двигаются по поверхности. Это движение является частью общего движения звезды вокруг своей оси.

Наблюдения показывают, что оно вращается не как твердое тело, а дифференцированно.

Это означает, что оно движется быстрее на экваторе и медленнее на полюсах. Газовые гиганты: Юпитер и Сатурн, также имеют дифференциальное вращение.

Астрономы измерили скорость вращения Солнца с широты 26 ° от экватора, и обнаружили, что один оборот вокруг оси занимает 25,38 земных суток. Его ось вращения составляет угол, равный 7 градусам и 15 минутам.

Внутренние регионы и ядро вращаются вместе как твердое тело. А внешние слои, конвективная зона и фотосфера, вращаются с разной скоростью.

Обращение Солнца вокруг центра галактики

Наше светило и мы вместе с ним вращается вокруг центра галактики Млечный Путь. Средняя скорость составляет 828000 км/час. Один оборот занимает около 230 миллионов лет. Млечный Путь является спиральной галактикой. Считается, что она состоит из центрального ядра, 4-х основных рукавов, имеющих несколько коротких сегментов.