Глава 2.Небесные координаты.

АСТРОНОМИЯ.

 

Глава 1. Введение в астрономию.

 

Астрономия – это наука, изучающая движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и их систем. Это слово происходит от двух греческих слов: «астрос» - звезда, и «номос» - имя.

Астрономия является одной из древнейших наук человечества. Элементарные астрономические сведения были известны уже в Древнем Шумере, Вавилонии, Египте, Китае и Индии. Именно в Древнем мире появились первичные астрономические понятия и ранние способы астрономических наблюдений. Основное применение астрономических знаний в Древнем мире заключалось в счете времени и создании календарей.

Основная особенность астрономии в том, что эта наука изучает вещество в такой его форме, и при таких физических условиях, которые не могут быть полностью воспроизведены в земных научных лабораториях.

За тысячелетия, прошедшие со времен первобытности, астрономия стала полноценной точной наукой, помогающей человечеству ориентироваться в безгранично огромной Вселенной.

Сегодняшняя астрономия содержит много различных разделов, изучающих разнообразные явления и объекты как ближнего, так и глубокого Космоса, а также гипотезы и теории их происхождения и эволюции. Астрономические исследования в современную эпоху ведутся с помощью самых современных технических средств, среди которых оптические телескопы занимают далеко не первое место. На службу астрономии поставлены радиоволны, инфракрасное, ультрафиолетовое, а ныне и рентгеновское излучения. Результаты наблюдений обрабатываются с помощью сложных компьютерных программ, и одним из уже привычных методов работы астрономов стало компьютерное моделирование. Быстрыми темпами развивается и внеземная астрономия. Знаменитый орбитальный телескоп «Хаббл» ежегодно дает для описания и изучения несколько тысяч снимков глубокого Космоса. Астрономия – древняя, и в то же время вечно молодая наука, открывающая человечеству все новые и новые горизонты Вселенной. Предвычисляя затмения Луны и Солнца, появление комет, метеоритные потоки, показывая возможность естественнонаучного объяснения происхождения Земли и других небесных тел, а также всей Вселенной в целом, астрономия убедительно доказывает, что предела человеческому познанию нет.

По мере изучения различных небесных тел расширялись и пространства, познаваемые человеком. Еще одной особенностью астрономии являются огромные расстояния, на которых располагаются изучаемые объекты. Для измерения расстояний в среде обитания человека применяются такие меры длины, как метр и километр. Однако, эти меры очень малы для измерения расстояний между небесными телами. Поэтому астрономические расстояния измеряются в иных, специально разработанных мерах длины, таких, как световой год, астрономическая единица, парсек, а для выражения расстояний до наиболее отдаленных объектов Вселенной используются и кило -, и даже мегапарсек.

 

 

 

Одна из важнейших задач астрономии – пролить свет на происхождение Вселенной и небесных тел, наблюдаемых в ней. Используя данные физики, химии и биологии, астрономия дает нам представление об эволюции Вселенной, ее механизмах и направлениях.

Еще одна, не менее важная задача астрономии – уточнение и корректировка календаря.

Смысл движения небесных светил никогда не покидал умы людей. Еще в Древнем Вавилоне сложилось представление о том, что все светила – это могущественные божества, управляющие жизнью людей. В Средние века это убеждение привело к появлению астрологии.

Сравните два слова: «астрология» и «астрономия». Очень похоже, верное? Так что же, это одно и то же? Конечно же, нет.

Астрология – это не наука. Это теория о прямом воздействии небесных светил на судьбу человека.

А в самом деле, влияют ли звезды и планеты на судьбу человека?

Нет. Не влияют. Человек сам строит свою судьбу и сам борется за свое счастье. Главное – поставить перед собой правильную хорошую цель и уверенно, настойчиво к ней продвигаться, прикладывая к этому все усилия.

 

 

Вопросы и задания к главе 1.

1.Приведите несколько русских народных поговорок, отражающих представления о времени, астрономических явлениях и календаре.

2.Перечислите известные вам знаки Зодиака.

3.Изобразите основные и промежуточные стороны света.

 

Раздел 2. Астрометрия.

Глава 5. Время и календарь.

 

Постепенно люди смогли увидеть определенные закономерности в движении светил по небосводу. Сложилось представление о цикличности, то есть, повторяемости движения Солнца и Луны. Появились понятия «день» и «ночь». Если Солнце светит – значит, день. А если Солнышко устало и ушло спать, значит, ночь. Такие понятия, как «утро» и «вечер» появились несколько позже и в средних широтах. Те из вас, кто жил или бывал с родителями на юге – в Крыму, в Средней Азии – наверное, замечали, что Солнце прямо-таки падает за горизонт. Вот только что было светлым-светло, и через 15 минут уже глубокая тьма. А вот в наших широтах Солнце опускается за горизонт медленно, и темнеет поэтому постепенно. Это и называется «сумерки». Точно так же утром – уже светло, а Солнца еще на небе нет. Это называется «рассвет».

День и ночь вместе стали называться «сутки». Слово это по смыслу обозначает что-то вроде «сотканное», «связанное». Есть даже такая присказка: день да ночь – сутки прочь. Самая высокая точка, в которой Солнце бывает днем, у славян называлась «полудень», а середина темного времени называлась «полуночь». Этими же словами стали обозначать и стороны света. В отчетах средневековых русских мореплавателей можно встретить такие, допустим, фразы: «… а на полуночь от того берега видали мы остров зело великий, весь шибко сильным льдом укрытый …». Как вы думаете, на какой стороне света может быть такой остров, который весь покрыт льдом? А как тогда называется противоположная сторона света? Вспомните названия еще двух сторон света и попытайтесь объяснить происхождение этих названий.

Так сложилась четверичная система определения направления и времени суток.

Деление времени суток по часам было известно уже в Древнем Риме. В Средневековье часы отсчитывали не от полуночи, а от рассвета, хотя в разных странах и у разных народов счет часов мог и различаться.

 

 

Рис.5/1. Гномон – солнечные часы.

 

 

Сегодня для измерения коротких промежутков времени в астрономии основной единицей является средняя длительность солнечных суток, т. е. средний промежуток времени между двумя верхними (или нижними) кульминациями центра Солнца. Среднее значение приходится использовать, потому что в течение года длительность солнечных суток слегка колеблется. Это связано с тем, что Земля обращается вокруг Солнца не по кругу, а по эллипсу и скорость ее движения при этом немного меняется. Это и вызывает небольшие неравномерности в видимом движении Солнца по эклиптике в течение года.

Момент верхней кульминации центра Солнца, как мы уже говорили, называется истинным полднем. Но для проверки часов, для определения точного времени нет надобности отмечать по ним именно момент кульминации Солнца. Удобнее и точнее отмечать моменты кульминации звезд, так как разность моментов кульминации любой звезды и Солнца точно известна для любого времени. Поэтому для определения точного времени с помощью специальных оптических приборов отмечают моменты кульминаций звезд и проверяют по ним правильность хода часов, «хранящих» время. Определяемое таким образом время было бы абсолютно точным, если бы наблюдаемое вращение небосвода происходило со строго постоянной угловой скоростью. Однако оказалось, что скорость вращения Земли вокруг оси, а, следовательно, и видимое вращение небесной сферы, испытывает со временем очень небольшие изменения. Поэтому для «хранения» точного времени сейчас используются специальные атомные часы, ход которых контролируется колебательными процессами в атомах, происходящими с неизменной частотой. Использование атомных часов обеспечивает очень малую погрешность – около 5*10^-9 секунды за сутки.

 

Рис.5/2. Первые атомные часы NBS-1.

 

Определение точного времени, его хранение и передача по радио всему населению составляет задачу службы точного времени, которая существует во многих странах.

Сигналы точного времени по радио принимают штурманы морского и воздушного флота, многие научные и производственные организации, нуждающиеся в знании точного времени. Знать точное время нужно, в частности, и для определения географических долгот разных пунктов земной поверхности.

Местное время в двух пунктах (Т₁ и Т₂) отличается на столько же, на сколько различается их географическая долгота:

 

Т₂ – Т₁ = λ₂ – λ₁

 

Например, в Санкт-Петербурге, расположенном на 8⁰45’ западнее Москвы, полдень наступает на 35 минут позднее. Долготу и время принято отсчитывать от начального (нулевого) меридиана, проходящего через Гринвичскую обсерваторию в Великобритании. Местное время этого меридиана называют всемирным временем – UniversalTime (UT).

 

 

Рис.5/3. Слева – Гринвичская обсерватория. Справа – нулевой меридиан в Гринвиче.

 

Тогда местное время любого пункта равно:

 

T₁ = UT + λ₁, где долгота выражена в часовой мере.

 

Естественно, что, если пользоваться местным временем, то при любом перемещении необходимо будет постоянно переводить часы. Это крайне неудобно, поэтому практически все население земного шара пользуется поясным временем.

Поясная система отсчета предложена в 1884 году. Весь земной шар разделен по долготе на 24 часовых пояса (по числу часов в сутках). Каждый пояс занимает примерно 15⁰. Время каждого часового пояса отличается от соседних на 1 час. Поэтому поясное время конкретного пункта отличается от всемирного времени на число часов, равное номеру данного часового пояса. В нашей стране поясное время было введено в 1919 году. С тех пор границы часовых поясов неоднократно пересматривались.

 

 

Рис.5/4. Карта часовых поясов мира.

 

В конце XX века в России несколько раз вводилось и отменялось декретное время, которое на 1 час опережает поясное. В 1992 году оно было установлено в последний раз, и с тех пор мы в повседневной жизни используем именно его, называя его местным временем.

 

 

Рис.5/5. Карта часовых поясов России.

 

 

Многие страны весной переходят на «летнее» время, переводя стрелки часов на 1 час вперед по отношению к «зимнему», то есть, основному, к которому и возвращаются осенью. В России с апреля 2011 года такая операция не проводится. С октября 2014 года в России было возвращено декретное время, и разница между московским и всемирным временем стала равной 3 часа.

Для счета больших промежутков времени люди с древних пор использовали продолжительность либо лунного месяца, либо солнечного года, т. е. продолжительность оборота Солнца по эклиптике. Год определяет периодичность сезонных изменений.

Понятие «месяц» возникло, по мнению ученых, в результате наблюдения за фазами Луны. Фазы Луны наблюдаются очень хорошо, и четко различимы. Поэтому лунные месяцы гораздо древнее солнечных. До сих пор в русском языке есть Луна – а есть и месяц. И до сих пор лунными месяцами считают сроки женской беременности. Это память о тех очень далеких временах, когда именно женщины были жрицами Луны. Интересно, что и садоводы-огородники тоже руководствуются лунными месяцами, когда ухаживают за растениями.

Солнечные месяцы сложились еще в Древнем Египте. Жрецы, хранители календаря, обратили внимание на то, что полуденная точка Солнца кочует по небу. Есть 12 созвездий, в каждом из которых эта полуденная точка находится примерно 30 дней, постепенно переходя из одного созвездия в другое, как бы описывая круг. Так возникло представление о Поясе Зодиака. Правда, само название «Зодиак» возникло уже в Древней Греции. Но древнеегипетские жрецы разделили свой год на 12 месяцев, в каждом из которых было по 30 дней. Такой календарь доставлял немало хлопот – ведь начало года все время убегало вперед. Мы-то с вами знаем, что в году не 360, а 365 дней, а жрецы этого не знали. Но путем вычисления эти самые пять дней все-таки обнаружили. Их не стали включать ни в какой месяц, а просто добавили к концу года и сделали праздничными.

Рис.5/6. Зодиакальный круг.

Древние славяне считали годы по лету. И древнерусские хроники так и называются – летописи. В летописях можно прочитать, к примеру, такие сообщения: «В лето 6652 бысть знамение чюдно в Киевской земле яко змий огнен по небу летящю …» До сих пор мы спрашиваем друг друга: «Сколько тебе лет?» А вот викинги считали годы по зимам. Климат в Скандинавии очень суровый, и зима – самое страшное и тяжелое время года. Если прожили зиму – считай, выжили. Поэтому о мальчике, достигшем совершеннолетия, говорили – он пережил свою пятнадцатую зиму. Кстати, обратите внимание – «совершеннолетие», видите, тоже ведь следы прежнего счета по лету, правда? Так язык сохраняет историческую память народа.

Слово «календарь» происходит от латинского обозначения ежегодного древнеримского праздника Календы.За многовековую историю человечества создавалось и использовалось много различных систем календарей. Но все их можно разделить на три типа: солнечные, лунные и лунно-солнечные. Солнечный год длится 365 солнечных суток 5 часов 48 минут 46 секунд. Он практически несоизмерим с сутками и с длиной лунного месяца — периодом смены лунных фаз (около 29,5 суток). Это и составляет трудность создания простого и удобного календаря.Проще и удобнее солнечный календарь, применявшийся еще в Древнем Египте.

 

Рис.5/7. Египетский солнечный календарь.

 

 

При составлении календаря необходимо учитывать, что продолжительность календарного года должна быть как можно ближе к продолжительности оборота Солнца по эклиптике и что календарный год должен содержать целое число солнечных суток, так как неудобно начинать год в разное время суток.

Этим условиям удовлетворял календарь, разработанный александрийским астрономом Созигеном и введенный в 46 г. до н. э. в Риме Юлием Цезарем. Впоследствии он получил название юлианского календаря, или календаря старого стиля. В этом календаре годы считаются трижды подряд по 365 суток и называются простыми, следующий за ними год в 366 суток называется високосным. Високосными годами в юлианском календаре являются те годы, номера которых без остатка делятся на 4.

 

 

Рис.5/8. Юлианский круглый календарь.

 

Средняя продолжительность года по этому календарю составляет 365 суток 6 ч, т. е. она примерно на 11 мин длиннее истинной. В силу этого старый стиль отставал от действительного течения времени примерно на 3 суток за каждые 400 лет.

 

 

В настоящее время в большинстве стран мира принят солнечный календарь, называемый григорианским.

В григорианском календаре (новом стиле), введенном в СССР в 1918 г. и еще ранее принятом в большинстве стран, годы, оканчивающиеся на два нуля, за исключением 1600, 2000, 2400 и т. п. (т. е. тех, у которых число сотен делится на 4 без остатка), не считаются високосными. Этим и исправляют ошибку в 3 суток, накапливающуюся за 400 лет. Таким образом, средняя продолжительность года в новом стиле оказывается очень близкой к периоду обращения Земли вокруг Солнца.

К XX в. разница между новым стилем и старым (юлианским) достигла 13 суток. Поскольку в нашей стране новый стиль был введен только в 1918 г., то Октябрьская революция, совершенная в 1917 г. 25 октября (по старому стилю), отмечалась 7 ноября (по новому стилю).

 

 

Рис.5/9. Декрет о переходе России на новый календарный стиль.

 

Разница между старым и новым стилями в 13 суток сохранится и в XXI в., а в XXII в. возрастет до 14 суток.

Новый стиль, конечно, не является совершенно точным, но ошибка в 1 сутки накопится по нему только за 3300 лет. 

 

Раздел 3.Небесная механика

Глава 6. Система мира.

 

Размышляя о причинах и закономерностях движения небесных тел, древние ученые, конечно же, руководствовались теми явлениями, которые наблюдали вокруг себя. Внешне кажется, что Земля неподвижна, а Солнце совершает вокруг нее круговое, постоянно повторяющееся движение. Кривизна поверхности Земли слишком мала, чтобы ее можно было заметить в обыденной жизни. Так сложилось представление о плоской Земле, находящейся в центре мироздания, вокруг которой вращаются Солнце, Луна и планеты. Такая картина мира называется геоцентрической. Древние греки, прекрасные мореплаватели, первыми обратили внимание на то, что, когда корабль отходит от берега все дальше в море, берег скрывается из вида постепенно – сначала низкие его точки, а уж потом вершины высоких гор, которыми изобиловали греческие берега. При возвращении все происходит в обратном порядке – сначала становятся видны самые высокие точки берега, а уж потом и низкие. Древнегреческие ученые правильно объяснили это явление шарообразностью Земли. Считается, что первым о шарообразности Земли стал утверждать великий ученый Аристотель.

 

 

Рис.6/1. Доказательство шарообразности Земли.

 

 

Об Аристотеле написано очень много. Его по праву называют величайшим из умов древности. Мы уже говорили о том, что греческие ученые руководствовались в своих изысканиях наблюдениями и здравым смыслом. Так, наблюдая за фазами Луны, Аристотель пришел к выводу о том, что Луна – это шарообразное тело. С точки зрения древнегреческих ученых, шар – идеальное тело, поэтому естественно, что небесные тела имеют шарообразную форму.

 

 

Рис.6/2. Круглая тень Земли на поверхности Луны.

 

Шарообразность Земли можно доказать не только наблюдениями с моря, но и на суше, ведь при перемещении человека на достаточно большие расстояния рисунок созвездий меняется – одни заходят за горизонт, а другие появляются. Аристотель правильно объяснил это явление кривизной земной поверхности. Ведь, если бы Земля была плоской, рисунок созвездий был бы везде одинаков. Но неизменным в идеях Аристотеля оставалось центральное положение Земли. Однако, он высказал мысль, что ближе всего к Земле находится все-таки Луна, а не Солнце, потому что при солнечных затмениях Луна полностью закрывает собой солнечный диск.

За свою жизнь Аристотель написал немало трудов, многие из которых сохранились до нашего времени. Все книги тогда были рукописными, и стоили очень дорого. Труды Аристотеля пользовались таким авторитетом, что их переписывали, за ними охотились, даже брали в плен. Идеи Аристотеля оказались настолько понятными его современникам, что стали господствующими на протяжении почти 2000 лет.

Одним из самых талантливых последователей Аристотеля был Клавдий Птолемей. На основе аристотелевских представлений, собственных рассуждений и наблюдений он создал очень стройную и логичную по тем временам картину мира, которая так и называется теперь – геоцентрическая система Птолемея.

 

Рис.6/3. Геоцентрическая система мира Птолемея.

 

 

После падения Римской империи казалось, что на Европу опустилась мгла. Не стало великих ученых, господствующее положение в умах людей заняла религия, и церковь стала диктовать всем, во что нужно верить. Научные наблюдения оказались не нужны – ведь если все уж кем-то правильно придумано, зачем еще над этим размышлять? Более того, даже робкие попытки подвергнуть сомнению догматы, установленные церковью, жестоко карались. Приняв на вооружение геоцентрическую систему Птолемея, церковь отказалась от идеи шарообразности Земли. Высшим достижением мысли раннего Средневековья стала картина мира, придуманная Косьмой Индикопловом. По мысли Индикоплова, мироздание очень похоже на сундук – над плоской Землей, окруженной океаном, покоится неподвижный твердый прозрачный небесный свод, к которому намертво прикреплены звезды, а Солнце и Луна находятся над сводом, отделяющим земную часть мира от небесной. Там же, над сводом, находятся бесконечные запасы воды – «хляби небесные», из которых и происходят дожди. Все вопросы о том, каким же образом движутся небесные тела, на чем покоится сама плоская Земля, как удерживаются воды над небесной твердью, решались очень просто – конечно же, неизъяснимой Б-жьей волей!

Однако невозможно удержать человеческую мысль в жестких рамках.

В 1515 году молодой каноник Фромборкского собора Николай Коперник предложил свою систему мироздания. Земля не есть центр Вселенной, утверждал он, и сама вращается вокруг Солнца, как и все остальные планеты, а Луна есть спутник Земли и вращается вокруг нее. Свою систему Коперник сначала в рукописном виде предложил для рассмотрения нескольким, наиболее близким своим друзьям. В 1543 году усилиями некоторых влиятельных сторонников Коперника удалось издать его труд, названный им «Об обращениинебесных тел». Пока тянулись всяческие переговоры, пока книгу напечатали, пока по охваченной войнами Европе привезли во Фромборк – Коперник был уже тяжело болен. Есть легенда о том, что привезенную книгу положили ему на грудь, он взял свой труд уже слабеющими руками – и умер.

 

 

Рис.6/4. Чертеж гелиоцентрической системы мира из книги Коперника.

 

 

Система Коперника завоевывала все больше и больше признания тогдашних ученых. С развитием математики, мореплавания, дальних сухопутных путешествий, появлялось все больше и больше доказательств его правоты. В настоящее время гелиоцентрическая система мира не подвергается никаким сомнениям, она математически тщательно проработана и неоднократно доказана различными способами.

В 1609 году вышла в свет книга немецкого астронома Иоганна Кеплера, в которой он предложил законы, математически описывающие характер и закономерности движения планет. Сейчас эти законы так и называются – законы Кеплера. Кеплер путем математических вычислений понял, что планеты движутся вокруг Солнца не по окружности. Орбиты планет представляют собой эллипсы. Кеплер обнаружил взаимосвязь между расстояниями планет до Солнца и скоростями их движения. Работы Кеплера имеют неоспоримое научное значение и в современном мире.

Английский физик Исаак Ньютон, открыв закон всемирного тяготения, дал ученым точный математический аппарат для изучения движения небесных тел. Законы Кеплера и закон всемирного тяготения в совокупности являются основой небесной механики.

После трудов Галилея, Кеплера и Ньютона астрономия, несмотря на гонения церкви, стала точной наукой и заняла свое достойное место в ряду наук о природе.

 

 

Рис.6/5. Слева направо – Николай Коперник, Галилео Галилей, Исаак Ньютон.

Глава 7. Законы движения планет Кеплера.

 

Рис.7/1. Иоганн Кеплер.

 

Заслуга открытия законов движения планет принадлежит выдающемуся немецкому ученому Иоганну Кеплеру (1571 —1630). В начале XVII в. Кеплер, изучая обращение Марса вокруг Солнца, установил три закона движения планет.

Первый закон Кеплера. Каждая планета обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце (рис. 7/2.). Эллипсом называется плоская замкнутая кривая, имеющая такое свойство, что сумма расстояний каждой ее точки от двух точек, называемых фокусами, остается постоянной.

 

 

 

Рис.7/2. Первый закон Кеплера.

 

 

Эта сумма расстояний равна длине большой оси АA’ эллипса. Точка О — центр эллипса, F и F’ — фокусы. Солнце находится в данном случае в фокусеF. AO=OA’ =a — большая полуось эллипса. Большая полуось является средним расстоянием планеты от Солнца. Ближайшая к Солнцу точка орбиты А называется перигелием, а самая далекая от него точка A' — афелием.

Степень вытянутости эллипса характеризуется его эксцентриситетом е. Эксцентриситет равен отношению расстояния фокуса от центра (OF=OF’) к длине большой полуоси а. При совпадении фокусов с центром (е=0) эллипс превращается в окружность.Орбиты планет — эллипсы, мало отличающиеся от окружностей; их эксцентриситеты малы. Например, эксцентриситет орбиты Земли е=0,017.

 

Второй закон Кеплера (закон площадей). Радиус-вектор планеты за одинаковые промежутки времени описывает равные площади, т. е. площади SHD и SCK равны (см. рис.7/3), если дуги HD и CK описаны планетой за одинаковые промежутки времени.

 

 

Рис.7/3. Второй закон Кеплера.

 

Но длины этих дуг, ограничивающих равные площади, различны: CK>HD. Следовательно, линейная скорость движения планеты неодинакова в разных точках ее орбиты. Скорость планеты при движении ее по орбите тем больше, чем ближеона к Солнцу. В перигелии скорость планеты наибольшая, в афелии наименьшая. Таким образом, второй закон Кеплера количественно определяет изменение скорости движения планеты по эллипсу.

 

Третий закон Кеплера. Квадраты звездных периодов обращения планет относятся как кубы больших полуосей их орбит. (рис. 7/4). Если большую полуось орбиты и звездный период обращения одной планеты обозначить через а₁, Т₁, другой планеты — через а₂, Т₂, то формула третьего закона будет

 

 

 

 

Рис.7/4. Третий закон Кеплера.

 

 

Этот закон Кеплера связывает средние расстояния планет от Солнца с их звездными (сидерическими) периодами и позволяет установить относительные расстояния планет от Солнца, поскольку звездные периоды планет уже были вычислены, исходя из синодических периодов, иначе говоря, позволяет выразить большие полуоси всех планетных орбит в единицах большой полуоси земной орбиты.

Большая полуось земной орбиты принята за астрономическую единицу расстояний (а®=1 а. е.).

Ее значение в километрах было определено позднее, лишь в XVIII в.Сегодня расстояние от Земли до Солнца считается равным 149 600 000 км, что составляет одну астрономическую единицу.

Формула связи между сидерическими периодами обращения двух планет (за одну из них принимаем Землю) и синодического периода S одной относительно другой:

 

1/S = 1/Z – 1/Т для внешних планет (находящихся после Земли, если смотреть от Солнца) и

1/S = 1/Т – 1/Zдля внутренних планет (находящихся между Солнцем и Землей),

 

где Z — сидерический период Земли (1 год), Т — сидерический период планеты.

 

Глава 8. Космические скорости и межпланетные перелеты.

 

Космические скорости и форма орбит. Исходя из наблюдений движения Луны и анализируя законы движения планет, открытые Кеплером, И. Ньютон (1643—1727) установил закон всемирного тяготения. По этому закону, как вы уже знаете из курса физики, все тела во Вселенной притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Закон всемирного тяготения объясняет движение планет и комет вокруг Солнца, движение спутников вокруг планет, двойных и кратных звезд вокруг их общего центра масс.

Ньютон доказал, что под действием взаимного тяготения тела могут двигаться друг относительно друга по эллипсу (в частности, по кругу), по параболе и по гиперболе. Ньютон установил, что вид орбиты, которую описывает тело, зависит от его скорости в данном месте орбиты (рис.8/1).

 

 

Рис.8/1. Зависимость формы орбиты от начальной скорости объекта.

 

При некоторой скорости тело описывает окружность около притягивающего центра. Такую скорость называют первой космической или круговой скоростью, ее сообщают телам, запускаемым в качестве искусственных спутников Земли по круговым орбитам. Первая космическая скорость вблизи поверхности Земли составляет около 8 км/с (7,9 км/с).Если телу сообщить скорость, в √2 раза большую круговой (11,2 км/с), называемую второй космической или параболической скоростью, то тело навсегда удалится от Земли и может стать спутником Солнца. В этом случае движение тела будет происходить по параболе относительно Земли. При еще большей скорости относительно Земли тело полетит по гиперболе. Двигаясь по параболе или гиперболе, тело только однажды огибает Солнце и навсегда удаляется от него.Средняя скорость движения Земли по орбите 30 км/с. Орбита Земли близка к окружности, следовательно, скорость движения Земли по орбите близка к круговой на расстоянии Земли от Солнца. Параболическая скорость на расстоянии Земли от Солнца равна 30*√2 км/с ≈ 42 км/с. При такой скорости относительно Солнца тело с орбиты Земли покинет Солнечную систему.

Законы Кеплера точно соблюдаются только тогда, когда рассматривают движение двух изолированных тел под влиянием их взаимного притяжения. В Солнечной системе планет много, все они не только притягиваются Солнцем, но и притягивают друг друга, поэтому их движения не в точности подчиняются законам Кеплера. Отклонения от движения, которое происходило бы строго по законам Кеплера, называются возмущениями. В Солнечной системе возмущения невелики, потому что притяжение каждой планеты Солнцем гораздо сильнее притяжения других планет.

Космический полет — это путешествие или транспортировка в или через космос. Четкая граница между Землей и космосом отсутствует, и Международной авиационной федерацией была принята границей высота в 100 км от поверхности Земли. Чтобы на такой высоте летательный аппарат летел благодаря действию аэродинамических сил, необходимо иметь первую космическую скорость. Хотя представление о путешествиях к Луне, планетам и звездам существовало давно, лишь в XX веке с развитием ракетной техники, которая обеспечивала бы необходимое ускорение для покидания планеты, это стало возможным. Возможно, первым, кто указал на пригодность ракеты для путешествий в безвоздушном пространстве, был шотландский астроном Уильям Лейтч в 1861 году. В 1881 году Николай Иванович Кибальчич выдвинул идею ракетного летательного аппарата с качающейся камерой сгорания для управления вектором тяги.

 

Рис.8/2. Николай Иванович Кибальчич, 1853 – 1881.

 

За несколько дней до казни Кибальчич разработал оригинальный проект летательного аппарата, способного совершать космические перелеты. Впервые теоретические аспекты космических полётов исследовал русский ученый Константин Циолковский, который сформулировал основные математические положения ракетных двигателей и вывел формулу Циолковского.

 

 

Рис.8/3. Константин Эдуардович Циолковский, 1857 – 1935.

 

На основе работ Циолковского немец Герман Оберт в 1923 году определил основное уравнение ракетной техники, характеризующее работу многоступенчатой ракеты, выводящей на желаемую орбиту полезный груз. Первым инженером, практически применившим теоретические положения Циолковского и Оберта был американец Роберт Годдард, который в 1910 году разработал маленький ракетный двигатель. В 1926 году ему удалось запустить первый жидкотопливный ракетный двигатель.

Значительный вклад в развитие межпланетной космонавтики внес Вернер фон Браун, создавший в 1934 году ракету«Фау-2», ставшую прообразом многих последующих космических летательных аппаратов.

 

 

Рис.8/4. Немецкая ракета ФАУ-2.

 

 

В кратком изложении история освоения человечеством космического пространства может быть изложена так:

 

 

 

4 октября 1957 — запущен первый искусственный спутник Земли Спутник-1.

 

4 января 1959 — станция «Луна-1» прошла на расстоянии 6000 километров от поверхности Луны и вышла на гелиоцентрическую орбиту. Она стала первым в мире искусственным спутником Солнца.

14 сентября 1959 — станция «Луна-2» впервые в мире достигла поверхности Луны в районе Моря Ясности.

4 октября 1959 — запущена автоматическая межпланетная станция «Луна-3», которая впервые в мире сфотографировала невидимую с Земли сторону Луны.

 

 

 

12 апреля 1961 — совершен первый полет человека в космос ( Юрий Гагарин ) на корабле «Восток-1».

 

 

12 августа 1962 — совершен первый в мире групповой космический полет на кораблях «Восток-3» и «Восток-4». Максимальное сближение кораблей составило около 6.5 км.

 

 

16 июня 1963 — совершен первый в мире полет в космос женщины-космонавта ( Валентина Терешкова ) на космическом корабле «Восток-6».

 

12 октября 1964 — совершил полет первый в мире многоместный космический корабль «Восход-1».

 

 

18 марта 1965 — совершен первый в истории выход человека в открытый космос. Космонавт Алексей Леонов совершил выход в открытый космос из корабля «Восход-2».

 

 

3 февраля 1966 — АМС «Луна-9» совершила первую в мире мягкую посадку на поверхность Луны, были переданы панорамные снимки Луны.

1 марта 1966 — станция «Венера-3» впервые достигла поверхности Венеры

3 апреля 1966 — станция «Луна-10» стала первым искусственным спутником Луны.

30 октября 1967