>>Физика: Сила тяжести на других планетах
До изобретения телескопа было известно лишь семь планет: Меркурий, Венера , Марс, Юпитер, Сатурн, Земля и Луна. Их количество многих устраивало. Поэтому, когда в 1610 г. вышла книга Галилея «Звездный вестник», в которой он сообщил, что с помощью своей «зрительной трубы» ему удалось обнаружить еще четыре небесных тела, «никем еще не виданные от начала мира до наших дней» (спутники Юпитера), то это вызвало сенсацию. Сторонники Галилея радовались новым открытиям, противники же объявили ученому непримиримую войну.
Уже через год в Венеции вышла книга «Размышления об астрономии, оптике и физике», в которой автор утверждал, что Галилей заблуждается и число планет должно быть обязательно семь, так как, во-первых, в Ветхом Завете упоминается семисвечник (а это означает семь планет), во-вторых, в голове имеется лишь семь отверстий, в-третьих, существует только семь металлов и, в-четвертых, «спутники не видны для простого глаза, а поэтому и не могут оказывать влияние на Землю, следовательно, они не нужны, а поэтому они не существуют».
Однако подобными аргументами нельзя было остановить развитие науки, и теперь мы точно знаем, что спутники Юпитера существуют и число планет вовсе не равно семи. Вокруг Солнца обращаются девять больших планет
(Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон, из которых лишь первые две не обладают спутниками) и свыше трех тысяч малых планет, называемых астероидами
.
Спутники обращаются вокруг своих планет под действием их гравитационного поля. Сила тяжести на поверхности каждой из планет может быть найдена по формуле F
т=mg
, где g=GМ/R2
- ускорение свободного падения на планете. Подставляя в последнюю формулу массу М
и радиус R
разных планет, можно рассчитать, чему равно ускорение свободного падения g
на каждой из них. Результаты этих расчетов (в виде отношения ускорения свободного падения на данной планете к ускорению свободного падения на поверхности Земли) приведены в таблице 7.
Таблица 7
Из этой таблицы видно, что наибольшее ускорение свободного падения и, следовательно, наибольшая сила тяжести на Юпитере. Это самая большая планета Солнечной системы; ее радиус в 11 раз, а масса в 318 раз больше, чем у Земли. Слабее всего притяжение на далеком Плутоне. Эта планета меньше Луны: ее радиус всего лишь 1150 км, а масса в 500 раз меньше, чем у Земли!
Еще меньшей массой обладают малые планеты Солнечной системы. 98% этих небесных тел обращаются вокруг Солнца между орбитами Марса и Юпитера, образуя так называемый пояс астероидов
. Первый и самый большой астероид - Церера был открыт в 1801 г. Его радиус около 500 км, а масса примерно 1,2 1021 кг (т.е. в 5000 раз меньше, чем у Земли). Нетрудно подсчитать, что ускорение свободного падения на Церере примерно в 32 раза меньше, чем на Земле! Во столько же раз меньше там оказывается и вес любого тела. Поэтому космонавт, оказавшийся на Церере, смог бы поднять груз массой 1,5 т (рис. 110).
На Церере, однако, пока еще никто не был. А вот на Луне люди уже побывали. Впервые это произошло летом 1969 г., когда космический корабль «Аполлон-11» доставил на наш естественный спутник трех американских астронавтов: Н. Армстронга, Э. Олдрина и М. Коллинза. «Конечно,- рассказал потом Армстронг,- в условиях лунного притяжения хочется прыгать вверх... Наибольшая высота прыжка составляла два метра - Олдрин прыгнул до третьей ступеньки лестницы лунной кабины. Падения не имели неприятных последствий. Скорость настолько мала, что нет оснований опасаться каких-либо травм».
Ускорение свободного падения на Луне в 6 раз меньше, чем на Земле. Поэтому, прыгая вверх, человек поднимается там на высоту, в 6 раз большую, чем на Земле. Чтобы подпрыгнуть на Луне на 2 м, как это сделал Олдрин, требуется приложить такое же усилие, что и на Земле при прыжке на высоту 33 см.
Первые астронавты находились на Луне 21 ч 36 мин. 21 июля они стартовали с Луны, а 24 июля «Аполлон-11» уже приводнился в Тихом океане. Люди покинули Луну, но на ней осталось пять медалей с изображениями пяти погибших космонавтов. Это Ю. А. Гагарин, В. М. Комаров, В. Гриссом, Э. Уайт и Р. Чаффи.
???
1. Перечислите все большие планеты, входящие в состав Солнечной системы.
2. Как называется самая большая из них и самая маленькая?
3. Во сколько раз вес человека на Юпитере превышает вес того же человека на Земле?
4. Во сколько раз сила тяжести на Марсе меньше, чем на Земле?
5. Что вы знаете о Церере?
6. Почему походка астронавтов на Луне напоминала скорее прыжки, чем обычную ходьбу?
Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,
Радиация
Самой серьезной проблемой на Марсе является отсутствие магнитного поля, защищающего от солнечной радиации. Магнитное поле Марса слабее земного примерно в 800 раз. Вместе с разреженной атмосферой это увеличивает количество достигающего его поверхности ионизирующего излучения.
Радиационный фон на орбите Марса в 2,2 раза превышает радиационный фон на Международной космической станции. Средняя доза составила примерно 220 миллирадов в день. Объем облучения, полученного в результате пребывания в таком фоне на протяжении трех лет, приближается к установленным пределам безопасности для космонавтов.
Невесомость
На Марсе гравитация (притяжение) составляет всего 38% от земной (0,38 g). Степень влияния гравитации на здоровье людей при ее изменении от невесомости до 1 g не изучена, однако ничего хорошего ученые от нее не ждут. На земной орбите предполагается провести эксперимент на мышах с целью исследования влияния марсианской силы притяжения на жизненный цикл млекопитающих, тогда вопрос будет лучше прояснен.
Метеоритная опасность
Из-за своей разреженной атмосферы Марс гораздо в большей степени, чем Земля, подвержен метеоритной угрозе. В связи с этим гости Красной планеты рискуют попасть под метеоритный дождь, по сравнению с которым инцидент в Челябинске покажется детским лепетом. Поэтому и становится особенно актуальной проблема защиты строительной техники в том числе. В том числе придется решить проблему защиты строительных вышек тур http://www.versona.org/ и другого оборудования как на этапе создания поселения, так и позже, когда начнет развиваться сфера услуг, в частности предоставление технки в аренду.
Вредная пыль
На Марсе здоровью космонавтов будут угрожать гораздо более серьезные опасности, чем обычно. Например, простая пыль на Марсе намного опаснее лунной. Ученые подозревают, что эта пыль содержит в себе очень неприятные компоненты - мышьяк и шестивалентный хром, способный при контакте вызывать серьезные ожоги кожи и глаз.
Юпитер
Масса этого газового гиганта превышает массу нашей старушки Земли более чем в 300 раз, более того, его масса в два раза больше, чем все вместе взятые планеты солнечной системы! Только представьте себе, какая это огромная масса. И вся эта масса состоит в основном из Водорода и Гелия. Два этих газа составляют основу верхних слоев. Ученые предполагают, что ядро планеты все-таки состоит из более тяжелых элементов. Но точно никто не знает. Вокруг Юпитера вращается, по меньшей мере, 63 луны. Четыре крупнейших из них первым обнаружил в 1610 году, Галилео Галилей. Они позже так и были названы в честь него «галилеевыми». Не правда ли занимательно, но дальше лучше! Примерно 15 лет назад, в астрофизике укоренилась теория о том, что у этого гиганта есть интереснейший свойство. Оказывается, что эта планета, то и есть Юпитер, для нашей Земли несет, можно сказать, жизненно важную функцию. Благодаря своей огромной массе и быстрому вращению -- этот гигант обладает повышенной силой притяжения. Для сравнения можем взять наше земное притяжение, к которому мы все с вами привыкли. На земле коэффициент силы тяжести равен 10 Н/кг. На Юпитере этот же коэффициент равняется 24 Н/кг. Грубо говоря, если бы вы оказались вдруг на Юпитере, вы бы весили примерно в 2,5 раза больше. Исходя из изложенных выше данных, логично предположить, что все космические объекты, пролетающие поблизости с Юпитером, будут менять свою траекторию, вплоть до полного изменения курса и падения на поверхность газового гиганта.
юпитер планета сила космос
В подтверждение данной теории, можно привести тот факт, что у одного из спутников Юпитера, Ганимеда, диаметр превосходит значение диаметра планеты солнечной системы, Меркурия. В силу того, что на Ганимеда действует еще и притяжение нашей звезды то и есть Солнца, она не падает на Юпитер, но и не отрывается от него. Ганимеда движется вокруг Юпитера по околопланетной орбите созданной двумя силами: притяжением Юпитера и притяжением Солнца. Вот такой силищей обладает этот гигант, что уже говорить об астероидах, масса которых гораздо меньше массы Ганимеда. Если рассматривать схему построения планет, то выходит, что ближе к Солнцу, находится наша Земля. Далее следует Марс, за ним Юпитер. А за Юпитером стоит очень интересная планета и называется она, как вы уже, наверное, догадались -- Сатурн. Говорить о Сатурне можно много, но сегодня нас интересует только один момент. Сатурн окружен поясом, состоящим из метеоритов. Так вот следуя все той же логике, мы можем предположить, что время от времени из этого пояса некоторые метеориты могут выпадать. Вот тут то и вступает в дело Юпитер. Мы уже сказали, что Юпитер, обладает очень сильным гравитационным полем. Поэтому метеорит, вырвавшись из пояса, и проходя в непосредственной близости от Юпитера, повинуясь законам мироздания, под действием силы притяжения Юпитера, неизбежно меняет свой курс. И, в конце концов, летит не к Солнцу, а к поверхности Юпитера. Если бы не Юпитер, то вполне вероятно, что траектория метеорита вполне могла бы пересечься с траекторией нашей Земли. И тогда кто знает, какие катастрофы могли бы принести эти столкновения. Нужно также отметить, что Сатурн является не единственным поставщиком метеоритов. Но все метеориты, чья траектория совпадает с траекторией Юпитера, в дальнейшем уже не представляют угрозы для планет расположенных ближе к солнцу, то и есть и нашей земле в том числе. Да и кроме метеоритов есть еще и другие небесные тела, которые могут представлять угрозу при столкновении. Вы, наверное, догадались, что я имею ввиду -- это кометы. Кометы проникают в нашу Солнечную систему в основном из облака Орта, оно представляет собой внешнюю область, в пределах которой вращаются кометы в очень большом количестве. Так вот некоторые ученые-астрофизики предполагают, что Юпитер способен «отбрасывать» космические тела, прилетающие в нашу систему из облака Оорта.
Недавно группой ученых был создан ряд компьютерных моделей нашей Солнечной системы. В этих моделях наша система развивалась в разных вариантах построения. В некоторых Юпитер вообще был убран из Солнечной системы. В других случаях его масса была уменьшена. Так вот исследования показали, что если бы Юпитера, не было совсем, то вероятность столкновения нашей земли с Космическим телом было бы снижена на 30% . Но здесь следует сказать, что влияние на пояс астероидов, можно сказать крупнейший пояс, находящийся между Юпитером и Марсом, до конца не изучено. Так что результат не может быть точным. Но к поразительным результатам привело исследование, в котором масса Юпитера была уменьшена в четыре раза по отношению к настоящей массе. В результате было выявлено, что вероятность бомбардировки астероидами земли была выше на 500%, чем в случае, где планета Юпитер отсутствует вообще. Исходя из всего выше сказанного, можно предположить, что газовый гигант все-таки имеет значимое значение для защиты нашей Земли от атак из космоса.
На других планетах,почему она возникает, для чего нужна, а также воздействие ее на различные организмы.
Космос
О путешествиях к звездам люди мечтали издревле, начиная с тех времен, когда первые астрономы рассмотрели в примитивные телескопы иные планеты нашей системы и их спутники, а значит, по их мнению, они могли быть обитаемы.
С тех пор прошло много веков, но увы, межпланетные и тем более полеты к другим звездам невозможны и сейчас. А единственным внеземным объектом, где побывали исследователи, является Луна. Но уже в начале XX века ученые знали, что сила тяжести на других планетах отличается от нашей. Но почему? Что она собой представляет, отчего возникает и может ли быть губительной? Эти вопросы мы и разберем.
Немного физики
Еще разработал теорию, согласно которой любые два объекта испытывают взаимную силу притяжения. В масштабах космоса и Вселенной в целом подобное явление проявляется очень явственно. Наиболее яркий пример - это наша планета и Луна, которая именно благодаря гравитации и вращается вокруг Земли. Видим проявление гравитации мы и в повседневной жизни, просто привыкли к нему и совсем не обращаем внимание. Это так называемая Именно из-за нее мы не парим в воздухе, а спокойно ходим по земле. Также она способствует удержанию нашей атмосферы от постепенного улетучивания в космос. У нас она составляет условные 1 G, но какая сила тяжести на других планетах?
Марс
Марс наиболее похож по физическим данным на нашу планету. Конечно, жить там проблематично из-за отсутствия воздуха и воды, но он находится в так называемой зоне обитаемости. Правда, весьма условно. На нем нет ужасающей жары как на Венере, многовековых бурь как на Юпитере, и абсолютного холода как на Титане. И ученые последние десятилетия все не оставляют попыток придумать методы его терраформирования, создания пригодных для жизни условий без скафандров. Однако каково такое явление как сила тяжести на Марсе?Она составляет 0,38 g от земной, это примерно в два раза меньше. Это значит, что на красной планете можно скакать и прыгать гораздо выше, чем на Земле, и все тяжести весить будут также значительно меньше. И этого вполне достаточно для удержания не только его нынешней, «хилой» и жидкой атмосферы, но и гораздо более плотной.
Правда, говорить о терраформации пока рано, ведь для начала нужно хотя бы просто высадиться на него и наладить постоянные и надежные полеты. Но все же сила тяжести на Марсе вполне пригодна для обитания будущих поселенцев.
Венера
Еще одной самой близкой к нам планетой (кроме Луны) является Венера. Это мир с чудовищными условиями и невероятно плотной атмосферой, заглянуть за которую долгое время никому не удавалось. Ее наличие, кстати, открыл не кто иной как Михаил Ломоносов.
Атмосфера является причиной парникового эффекта и ужасающей средней температуры на поверхности в 467 градусов по Цельсию! На планете постоянно выпадают осадки из серной кислоты и кипят озера жидкого олова. Такая вот негостеприимная Сила тяжести ее составляет 0,904 G от земной, что почти идентично.
Она также является кандидатом на терраформирование, а впервые ее поверхности достигла советская исследовательская станция 17 августа 1970 года.
Юпитер
Еще одна планета Солнечной системы. Вернее, газовый гигант, состоящий в основном из водорода, который ближе к поверхности из-за чудовищного давления становится жидким. По подсчетам кстати, в его глубинах вполне возможно однажды вспыхнет и у нас будет два солнца. Но если это и произойдет, то, мягко говоря, нескоро, так что беспокоиться не следует. Сила тяжести на Юпитересоставляет 2,535 g относительно земной.
Луна
Как уже говорилось, единственным объектом нашей системы (кроме Земли), где побывали люди, является Луна. Правда, до сих пор не утихают споры, были ли те высадки реальностью или мистификацией. Тем не менее из-за ее малой массы сила тяжести на поверхности составляет всего 0,165 g от земной.
Влияние силы притяжения на живые организмы
Сила притяжения также оказывает различные воздействия на живых существ. Попросту говоря, когда будут открыты другие обитаемые миры, мы увидим, что их обитатели сильно отличаются друг от друга в зависимости от массы их планет. К примеру, будь Луна обитаема, то ее населяли бы очень высокие и хрупкие существа, и наоборот, на планете массой с Юпитер жители были бы очень низкие, крепкие и массивные. А иначе на слабых конечностях в таких условиях попросту не выживешь при всем желании.
Сила притяжения сыграет важную роль и при будущей колонизации того же Марса. Согласно законам биологии, если чем-то не пользуешься, то это постепенно атрофируется. Космонавтов с борта МКС на Земле встречают с креслами на колесах, так как в невесомости их мышцы задействованы очень мало, и даже регулярные силовые тренировки не помогают. Так что потомство колонистов на других планетах будет как минимум выше и физически слабее своих предков.
Так что мы разобрались с тем, какая сила тяжести на других планетах.
Общеизвестно, что Земля имеет форму шара, сплюснутого у полюсов. Поэтому вес одного и того же тела (определяемый силой притяжения) в различных местах планеты неодинаков. Например, взрослый человек, переместившись из высоких широт к экватору, "потеряет в весе" около 0,5 кг. А какова сила тяжести на других планетах Солнечной системы?
Теория сэра Ньютона
Один из отцов-основателей классической механики, великий английский математик, физик и астроном Исаак Ньютон, изучая движение Луны вокруг нашей планеты, в 1666 году сформулировал Закон всемирного тяготения. По мнению ученого, именно сила тяготения лежит в основе движения всех тел в космосе и на Земле, будь то планеты, вращающиеся вокруг звезд, или яблоко, падающее с веток. Согласно Закону, сила притяжения двух материальных тел пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами.
Если вести речь о силе тяжести на Земле и других планетах или астрономических объектах, то из вышесказанного становится ясно, что она пропорциональна массе объекта и обратно пропорциональна квадрату его радиуса. Прежде чем отправиться в космическое путешествие, рассмотрим гравитационные силы на нашей планете.
Вес и масса
Несколько слов о физических терминах. Теория классической механики утверждает, что гравитация возникает вследствие взаимодействия тела с космическим объектом. Силу, с которой это тело действует на опору или подвес, называют весом тела. Единица измерения этой величины - ньютон (Н). Вес в физике обозначают, как и силу, буквой F и вычисляют по формуле F=mg, где коэффициент g - ускорение свободного падения (у поверхности нашей планеты g=9,81 м/с 2).
Под массой понимают фундаментальный физический параметр, определяющий количество материи, заключенной в теле, и его инертные свойства. Традиционно измеряется в килограммах. Масса тела постоянна в любом уголке нашей планеты и даже Солнечной системы.
Если бы Земля имела строгую шарообразную форму, вес определенного предмета на различных географических широтах земной поверхности на уровне моря был бы неизменным. Но наша планета имеет форму эллипсоида вращения, причем полярный радиус на 22 км короче экваториального. Поэтому, согласно Закону всемирного тяготения, вес тела на полюсе будет на 1/190 больше, чем на экваторе.
На Луне и Солнце
Исходя из формулы, силу тяжести на других планетах и астрономических телах можно легко вычислить, зная их массу и радиус. Кстати, в основе способов и методов определения этих величин лежит все тот же Закон всемирного тяготения Ньютона и 3-й закон Кеплера.
Масса ближайшего к нам космического тела - Луны - в 81 раз, а радиус - в 3,7 раза меньше соответствующих земных параметров. Таким образом, вес любого тела на единственном естественном спутнике нашей планеты будет в шесть раз меньше, чем на Земле, при этом ускорение свободного падения будет иметь значение 1,6 м/с 2 .
На поверхности нашего светила (в районе экватора) этот параметр имеет значение 274 м/с 2 - максимальное в Солнечной системе. Здесь сила тяжести в 28 раз превосходит земную. Например, человек массой 80 кг имеет вес на Земле около 800 Н, на Луне - 130 Н, а на Солнце - более 22 000 Н.
В 2006 году астрономы мира условились считать, что в состав Солнечной системы входит восемь планет (Плутон причислили к карликовым планетам). Условно их принято разделять на две категории:
- Земная группа (от Меркурия до Марса).
- Гиганты (от Юпитера до Нептуна).
Определение силы тяжести на других планетах осуществляется по тому же принципу, что и для Луны.
В центре Солнечной системы
Космические объекты, принадлежащие к первой группе, расположены внутри орбиты пояса астероидов. Для этих планет характерно следующее строение:
- Центральная область - горячее и тяжелое ядро, состоящее из железа и никеля.
- Мантия, большую часть которой составляют ультраосновные магматические породы.
- Кора, состоящая из силикатов (исключение - Меркурий). В связи с разряженностью атмосферы, его верхний слой сильно разрушен метеоритами).
Некоторые астрономические параметры и сила тяжести на других планетах кратко отражены в таблице.
Оперируя данными таблицы, можно определить, что сила тяжести на поверхности Меркурия и Марса в 2,6 раза меньше, чем на Земле, а на Венере вес космонавта будет меньше земного лишь на 1/10 часть.
Гиганты и карлики
Планеты-гиганты, или внешние планеты, располагаются за орбитой Главного пояса астероидов. В основе каждого из этих тел каменное ядро небольших размеров, покрытое громадной газообразной массой, состоящей преимущественно из аммиака, метана и водорода. Гиганты имеют малые периоды обращения вокруг своей оси (от 9 до 17 часов), и при определении гравитационных параметров необходимо учитывать действие центробежных сил.
Вес тела на Юпитере и Нептуне будет больше, чем на Земле, а вот на других планетах сила тяжести немного меньше земной. Эти объекты не имеют твердой или жидкой поверхности, поэтому расчеты ведутся для границы верхнего облачного слоя (см. таблицу).
| Радиус орбиты (млн км) | Радиус (тыс. км) | Масса (кг) | Ускорение своб. падения g (м/с 2) | Вес космонавта (Н) | |
| Юпитер | 778 | 71 | 1,9×10 27 | 23,95 | 1677 |
| Сатурн | 1429 | 60 | 5,7×10 26 | 10,44 | 730 |
| Уран | 2871 | 26 | 8,7×10 25 | 8,86 | 620 |
| Нептун | 4504 | 25 | 1,0×10 26 | 11,09 | 776 |
(Примечание: данные по Сатурну во многих источниках (цифровых и печатных) весьма противоречивы).
В заключение несколько любопытных фактов, дающих наглядное представление о том, какая сила тяжести на других планетах. Единственное небесное тело, на котором побывали представители человечества, - Луна. По воспоминаниям американского астронавта Нила Армстронга, тяжелый защитный скафандр не мешал ему самому и его коллегам с легкостью совершать прыжки на высоту до двух метров - с поверхности до третьей ступеньки лестницы лунного модуля. На нашей планете такое же усилие привело лишь к прыжку на 30-35 см.
Вокруг Солнца обращается еще несколько карликовых планет. Масса одной из самых больших - Цереры - в 7,5 тыс. раз меньше, а радиус - в два десятка раз меньше земного. Сила тяжести на ней настолько слаба, что космонавт смог бы легко переместить груз массой около 2 тонн, а оттолкнувшись от поверхности "карлика", просто улетел бы в космическое пространство.