Основные движения Земли в пространстве

© Владимир Каланов,
сайт "Знания-сила".

Наша планета вращается вокруг собственной оси с запада на восток, то есть против часовой стрелки (если смотреть со стороны Северного полюса). Ось - это условная прямая линия, пересекающая земной шар в районе Северного и Южного полюсо́в, то есть полюса́ имеют фиксированное положение и "не участвуют" во вращательном движении, в то время как все другие точки расположения на земной поверхности вращаются, причём линейная скорость вращения на поверхности земного шара зависит от положения по отношению к экватору - чем ближе к экватору, тем линейная скорость вращения выше (поясним, что угловая скорость вращения любого шара одинакова в различных его точках и измеряется в рад/сек , мы обсуждаем скорость перемещения объекта, находящегося на поверхности Земли и она тем выше, чем более объект удалён от оси вращения).

Например, на средних широтах Италии скорость вращения составляет примерно 1200 км/ч, на экваторе она максимальна и составляет 1670 км/ч, тогда как на полюса́х она равна нулю. Следствиями вращения Земли вокруг своей оси являются смена дня и ночи и видимое движение небесной сферы.

Действительно, создается впечатление, что звёзды и другие небесные тела ночного неба движутся в противоположном нашему с планетой движению направлении (то есть с востока на запад). Кажется, что звёзды находятся вокруг Полярной звезды, которая расположена на воображаемой линии - продолжении земной оси в северном направлении. Движение звёзд не является доказательством того, что Земля вращается вокруг своей оси, ведь это движение могло бы быть следствием вращения небесной сферы, если считать, что планета занимает фиксированное, неподвижное положение в пространстве, как думали раньше.

Сутки. Что такое сидери́ческие и солнечные сутки?

Сутки - это отрезок времени, за который Земля совершает полный оборот вокруг собственной оси. Существуют два определения понятия «сутки». «Солнечные сутки» - это промежуток времени вращения Земли, при котором за отправную точку берется Солнце. Другое понятие - «сидери́ческие сутки» (от лат. sidus - родительный падеж sideris - звезда, небесное светило) - подразумевает другую отправную точку - "зафиксированную" звезду, расстояние до которой устремлено к бесконечности, в связи с чем мы допускаем, что её лучи взаимопаралле́льны. Продолжительность двух видов суток отличается друг от друга. Сидери́ческие сутки составляют 23 ч 56 мин 4 с , длительность же солнечных суток чуть дольше и равна 24 часам. Разница связана с тем, что Земля, вращаясь вокруг собственной оси, совершает и орбитальное вращение вокруг Солнца. Разобраться с этим проще с помощью рисунка.

Солнечные и сидерические сутки. Пояснение.

Рассмотрим два положения (см. рис.) , которые Земля занимает, совершая продвижение по своей орбите вокруг Солнца, «А » - место наблюдателя на земной поверхности. 1 - положение, которое занимает Земля (при начале отсчета суток) либо от Солнца, либо от какой-либо звезды́, которую мы определим как точку отсчета. 2 - положение нашей планеты после совершения оборота вокруг собственной оси относительно этой звезды: свет этой звезды, а она находится на большом удалении, дойдёт до нас параллельно направлению 1 . Когда Земля займёт положение 2 , можно говорить о «сидери́ческих сутках», т.к. Земля совершила полный оборот вокруг своей оси относительно дальней звезды, но пока ещё не относительно Солнца. Направление наблюдения за Солнцем несколько изменилось из-за обращения Земли. Для того чтобы Земля совершила полный оборот вокруг собственной оси относительно Солнца («солнечные сутки»), нужно подождать, когда она "довернё́тся" ещё примерно на 1° (эквивалент ежедневного перемещения Земли под углом - она проходит 360° за 365 суток), это займёт как раз приблизительно четыре минуты.

В принципе, продолжительность солнечных суток (хотя и принимается за 24 часа) - величина непостоянная. Это связано с тем, что движение Земли по орбите фактически происходит с переменной скоростью. Когда Земля находится ближе к Солнцу, скорость её движения по орбите выше, по мере удаления от светила скорость понижается. В связи́ с этим введено такое понятие, как «средние солнечные сутки» , именно их продолжительность двадцать четыре часа́.

Кроме того, сейчас достоверно установлено, что период вращения Земли увеличивается под влиянием смены морских приливов и отливов, вызванных Луной. Замедление составляет примерно 0,002 с за столетие. Накапливание таких, на первый взгляд незаметных отклонений, означает, однако, что с начала нашей эры до сегодняшнего дня суммарное замедление уже составляет около 3,5 часов.

Обращение вокруг Солнца - второе основное движение нашей планеты. Земля движется по эллиптической орбите, т.е. орбита имеет форму эллипса. Когда Луна находится в непосредственной близости от Земли и попадает в её тень, происходят затмения. Среднее расстояние между Землей и Солнцем составляет примерно 149,6 миллионов километров. В астрономии используется единица измерения расстояний внутри Солнечной системы; её называют «астрономическая единица» (а.е.). Скорость, с которой Земля движется по орбите, составляет примерно 107 000 км/ч. Угол, образованный земной осью и плоскостью эллипса, составляет примерно 66°33" , и сохраняется на всей орбите.

С точки зрения находящегося на Земле наблюдателя обращение приводит к видимому движению Солнца по эклиптике через звёзды и созвездия, представленные в Зодиаке. На самом деле Солнце также проходит и через созвездие Змееносца, но оно не относится к Зодиакальному кругу.

Времена года

Смена времен года - следствие обращения Земли вокруг Солнца. Причиной сезонных изменений является наклон оси вращения Земли к плоскости её орбиты. Двигаясь по эллиптической орбите, Земля в январе находится в самой близкой к Солнцу точке (перигелий), а в июле в самой отдалённой от него точке - афелий. Причина смены времен года - наклон орбиты, в результате чего Земля наклоняется к Солнцу то одним полушарием, то другим и, соответственно, получает разное количество солнечных лучей. Летом Солнце достигает высшей точки эклиптики. Это означает, что Солнце осуществляет над горизонтом самое длинное движение за сутки, и продолжительность дня максимальна. Зимой, напротив, Солнце находится низко над горизонтом, солнечные лучи падают на Землю не прямо, а косо. Продолжительность дня короткая.

В зависимости от времени года разные части планеты находятся под действием солнечных лучей. Лучи перпендикулярны тропикам во время солнцестояния.

Времена года в северном полушарии

Годовое движение Земли

Определение года, основной календарной единицы времени, не так просто, как кажется на первый взгляд, и зависит от избранной системы отсчёта.

Интервал времени, за который наша планета совершает полный оборот по орбите вокруг Солнца, называется годом. Тем не менее продолжительность года различается в зависимости от того, берётся ли за точку отсчёта при его измерении бесконечно далёкая звезда или Солнце .

В первом случае имеется в виду «звёздный год» («сидерический год») . Он равен 365 суткам 6 часам 9 минутам и 10 секундам и представляет собой время, необходимое для полного обращения Земли вокруг Солнца.

Но если мы изме́рим время, необходимое для того, чтобы Солнце вновь оказалось в той же точке в системе небесных координат, например, в точке весеннего равноденствия, тогда мы получим продолжительность «солнечного года» 365 суток 5 часов 48 минут 46 секунд . Различие между звездным и солнечным годом происходит из-за прецессии точек равноденствия, каждый год дни равноденствия (и, соответственно, солнце стояний ) наступают "раньше" приблизительно на 20 мин. по сравнению с предыдущим годом. Таким образом, Земля обходит свою орбиту чуть быстрее, чем Солнце в его видимом движении через звёзды возвращается в точку весеннего равноденствия.

Учитывая, что продолжительность времён года находится в тесной связи с Солнцем, при составлении календарей за основу берется именно «солнечный год» .

Также в астрономии было введено вместо обычного астрономического времени, определяемого по периоду вращения Земли относительно звёзд, новое равномерно текущее время, не связанное с вращением Земли и названное эфемеридным временем.

Читайте дополнительно про эфемеридное время в разделе: .

Уважаемые посетители!

Ученые пришли к следующим выводам - скорость вращения земли падает. Это приводит к следующим последствия - день удлиняется. Если не вдаваться в подробности, то в северном полушарии светлая часть дня становится несколько длиннее, чем в зимний период. Но это толкование подходит только для непосвященных. Геофизики приходят к более глубинным выводам - дни увеличивают свои временные рамки не только в весенний период. Причина удлинения дня лежит, прежде всего, в воздействии Луны.

Сила притяжения естественного спутника земли, настолько велика, что она вызывает волнение в океанах, заставляя их колыхаться. Земля же при этом поступает по аналогии с фигуристками, которые для замедления вращения во время выполнения своей программ, выставляют руки. Именно из-за этого, спустя какое-то время в обычных земных сутках будет насчитываться на один час больше, чем мы привыкли. Один астроном из Великобритании пришел к заключению, что начиная с 700 года до нашей Эры наблюдается непрерывное замедление вращения Земли вокруг своей оси. Скорость вращения Земли он рассчитывал, опираясь на данные, сохранившиеся с тех времен -глиняные таблички и исторические свидетельства, в которых описываются лунные и солнечные затмения. Опираясь на них, ученый рассчитал положение Солнца и смог определить, какой тормозной путь проделывала наша планета относительно своей звезды. 530 млн. лет скорость вращения Земли была намного меньше, и в сутках был всего 21 час.

А динозавры, населявшие просторы нашей планеты сто миллионов лет назад уже жили при сутках в 23 часа. Это можно определить, изучая известковые отложения, которые оставляли кораллы. Их толщина зависит о того, какое время года присутствует на планете. На этом основании, можно достаточно точно определить - в каком промежутке друг от друга были весны. И продолжительность эта сокращается на всем продолжении существования нашей планеты. Пол миллиона лет назад наша планета осуществляда движение около оси быстрее, при этом, движение вокруг звезды остается постоянной величиной. Это означает то, что год за все эити миллионы лет остался прежним, в нем осталось столько же часов. Но дней в этом году было не 365, как сегодня, а 420. После появления человечества, эта тенденция не прекратила своего существования. Скорость вращения Земли вокруг своей оси постоянно замедляется. Journal for the History of Astronomy опубликовал статью, посвященную этому феномену в 2008 году.

Стефенсон, работающий в университете Дарема (Великобритания) для того, чтобы полностью увериться и подтвердить гипотезу, проанализировал сотни затмений, которые произошли за последние 2,7 тысячи лет. В глиняных табличках древнего Вавилона очень подробно описываются все небесные явления, зафиксированные при помощи клинописи. Ученые отмечали и время события и его точную дату. Еще одна особенность - полное солнечное затмение на Земле наблюдается не так часто всего один раз в 300 лет. В этот момент Солнце полностью скрывается за Землей и на нее опускается полная тьма на несколько минут. Очень часто древние ученые с большой точностью описывали и начало затмения и его окончание. И эти данные использовались современным астрономом для того, чтобы определить положение нашей звезды относительно Земли.

Перерасчет дат календаря времен Вавилона происходил по специально составленным таблицам, облегчавшим работу. Именно эти данные позволяют астрономам с большой точностью определить. Каким образом происходило торможение Земли. Правильные данные о ее положении относительно Солнца, позволяют определить ее позицию в тот момент, когда она проходит мимо Солнца. Траектория движения планеты вокруг Солнца находится в зависимости от движения вокруг собственной оси. Террестрическое время, которое выводится из этой зависимости, является независимой величиной. Это универсальное время - общепринятый показатель, который рассчитывается исходя из того, как земля вращается вокруг своей оси и в каком положении она находится относительно Солнца. Это универсальное время постоянно сдвигается назад, так как каждый год к году добавляется еще одна секунда, которая вызывается, как раз, процессом торможения Земли. И как оказалось, разница между террестричиским и универсальным временем становится все больше, в зависимости от такого, как давно происходило солнечное затмение. Это может означать только одно - каждое тысячелетие прибавляет к суткам целых 0,002 секунды. Эти данные подтверждаются и изменениями, проводимыми со спутниковых лабораторий, выведенных на орбиту земли.

Скорость замедления полностью соответствует расчетам, которые сделал ученый из Великобритании. И во то время, когда наблюдался расцвет цивилизации Вавилона, сутки на земле длились несколько меньше, разница с современным временем составляла 0,04 секунды. И это мизерное отклонение было вычислено Стефенсоном благодаря тому, что он смог сопоставить универсальное время и оценить накопленные в нем ошибки. Так как с 700 года до наших дней прошло около миллиона суток, то мы могли перевести свои электронные часы на 7 часов, столько времени было добавлено ко времени обращения Земли вокруг оси.

Последние годы для Земли стали исключением, за это время удлинения суток практически не происходит и Земля продолжает движение с неизменной скоростью. Массы, находящиеся внутри земли, возможно, стали компенсировать те колебания, которые вызывает влияние магнитного поля Луны. А ускорение движения планеты могло быть вызвано, к примеру, землетрясением в Аргентине 2004 года, после которого сутки укоротились на 8 миллионных секунды. Самые короткие сутки в истории были зафиксированы в 2003 году, когда в них не было и 24 часов (не хватило 1, 005 секунд). Международная служба, изучающая вращение Земли и геофизики пристально наблюдают за проблемой замедления скорости вращения земли и теми процессами, которые влияют на ее движение. Ведь это позволит дать ответы на многие глобальные вопросы, связанные со строением планеты и теми процессами, которые происходят в глубинных структурах - мантии и ядре. Что облегает исследовательскую и научную деятельность сейсмологов и геофизиков.

Очень многие привычные нам с детства особенности жизни являются результатом процессов космического масштаба. Смена дня и ночи, времен года, продолжительность периода, в течение которого Солнце находится над горизонтом, связаны с тем, как и с какой скоростью вращается Земля, с особенностями ее передвижения в космосе.

Воображаемая линия

Ось любой планеты — конструкция умозрительная, созданная для удобства описания движения. Если мысленно провести линию через полюса, это и будет ось Земли. Вращение вокруг нее — одно из двух основных движений планеты.

Ось не составляет с плоскостью эклиптики (плоскостью вокруг Солнца) 90º, а отклоняется от перпендикуляра на 23º27". Считается, что планета вращается с запада на восток, то есть против часовой стрелки. Именно таким выглядит ее движение вокруг оси, если наблюдать его на Северном полюсе.

Неопровержимое доказательство

Когда-то считалась, что наша планета неподвижна, а звезды, закрепленные на небе, вращаются вокруг нее. Достаточно длительное время в истории никого не интересовало, с какой скоростью Земля обращается по орбите или вокруг оси, поскольку сами понятия «ось» и «орбита» не укладывались в научные познания того периода. Экспериментальное доказательство факта постоянного движения Земли вокруг оси было получено в 1851 году Жаном Фуко. Оно окончательно убедило всех, кто в позапрошлом веке еще сомневался в этом.

Опыт был проведен в под куполом которого разместили маятник и круг с делениями. Раскачиваясь, маятник при каждом новом движении смещался на несколько делений. Подобное возможно только при условии вращения планеты.

Скорость

Насколько быстро вращается Земля вокруг своей оси? Однозначный ответ на этот вопрос дать довольно трудно, поскольку скорость различных географических точек неодинакова. Чем ближе местность к экватору, тем она выше. В районе Италии значение скорости, например, оценивается в 1200 км/ч. В среднем же планета за час преодолевает 15º.

Со скоростью вращения Земли связана продолжительность суток. Отрезок времени, за который наша планета делает один оборот вокруг оси, определяется двумя способами. Для определения так называемых звездных или сидерических суток в качестве системы отсчета выбирается любая звезда, кроме Солнца. Они длятся 23 часа 56 минут и 4 секунды. Если же за отправную точку берется наше светило, то сутки называют солнечными. Их величина в среднем составляет 24 часа. Она несколько меняется в зависимости от положения планеты относительно светила, которое влияет и на скорость вращения вокруг оси и на то, с какой скоростью Земля обращается по орбите.

Вокруг центра

Второе важнейшее движение планеты — это ее «кружение» по орбите. Неизменное перемещение по слегка вытянутой траектории ощущается людьми чаще всего по смене времен года. То, с какой скоростью Земля движется вокруг Солнца, выражается для нас в первую очередь в единицах измерения времени: один оборот занимает 365 дней 5 часов 48 минут 46 секунд, то есть астрономический год. Точная цифра наглядно объясняет, почему каждые четыре года в феврале появляется дополнительный день. Он представляет собой сумму накопленных за это время часов, не вошедших в принятые 365 суток года.

Особенности траектории

Как уже отмечалось, то, с какой скоростью Земля обращается по орбите, связано с характеристиками последней. Траектория движения планеты отличается от идеальной окружности, она слегка вытянута. В результате Земля то приближается к светилу, то удаляется от него. Когда планету и Солнце разделяет минимальное расстояние, такое положение называется перигелием. Максимальное удаление соответствует афелию. Первое приходится на 3 января, второе — на 5 июля. И для каждой из этих точек вопрос: «С какой скоростью вращается Земля по орбите?» - имеет свой ответ. Для афелия это 29,27 км/с, для перигелия — 30,27 км/с.

Продолжительность дня

То, с какой скоростью вращается Земля по орбите, и в целом движение планеты вокруг Солнца имеют ряд следствий, определяющих многие нюансы нашей жизни. Например, эти перемещения сказываются на продолжительности дня. Солнце постоянно изменяет свое положение на небе: смещаются точки восхода и захода, становится несколько иной высота светила над горизонтом в полдень. В результате изменяется продолжительность дня и ночи.

Совпадают эти две величины лишь в равноденствие, когда центр Солнца пересекает небесный экватор. Наклон оси при этом оказывается нейтральным по отношению к светилу, и его лучи отвесно падают на экватор. Весеннее равноденствие приходится на 20-21 марта, осеннее — на 22-23 сентября.

Солнцестояние

Один раз в году день достигает своего максимума по продолжительности, а через полгода — минимума. Эти даты принято называть солнцестоянием. Летнее приходится на 21-22 июня, а зимнее — на 21-22 декабря. В первом случае наша планета так располагается по отношению к светилу, что северный край оси смотрит в направлении Солнца. В результате лучи отвесно падают на и освещают всю область за Полярным кругом. В Южном полушарии при этом, наоборот, солнечные лучи достигают лишь области между экватором и Полярным кругом.

Во время зимнего солнцестояния события протекают точно так же, только полушарии меняются ролями: освещается Южный полюс.

Времена года

Положение на орбите влияет не только на то, с какой скоростью Земля движется вокруг Солнца. В результате изменения расстояния, отделяющего от светила, а также наклона оси планеты на протяжении года неравномерно распределяется солнечная радиация. А это, в свою очередь, становится причиной смены времен года. Причем длительность зимнего и летнего полугодия различна: первое составляет 179 суток, а второе — 186. К этому несовпадению приводит все тот же наклон оси относительно плоскости эклиптики.

Пояса освещенности

Кружение Земли по орбите имеет и еще одно последствие. Годовое движение приводит к изменению положения Солнца над горизонтом, в результате чего на планете образовались пояса освещенности:

Жаркие располагаются на 40 % территории Земли, между Южным и Северным тропиком. Как понятно из названия, сюда приходит больше всего тепла.

Умеренные пояса — между Полярным кругом и Тропиками — характеризуются выраженной сменой сезонов.

Полярные пояса, размещающиеся за Полярными кругами, отличаются низкой температурой в течение всего года.

Движение планет в целом и, в частности, то, с какой скоростью Земля обращается по орбите, влияют и на другие процессы. Среди них течение рек, смена сезонов, определенные ритмы жизни растений, животных и человека. Кроме того, вращение Земли в силу своего влияния на освещенность и температуру поверхности влияет на сельскохозяйственные работы.

Сегодня то, какая скорость вращения Земли, каково ее расстояние до Солнца, и прочие особенности, связанные с движением планеты, изучаются в школе. Однако, если задуматься, они совершенно неочевидны. Когда подобная мысль приходит в голову, хочется от души поблагодарить тех ученых и исследователей, которые во многом лишь благодаря своему незаурядному уму смогли открыть закономерности космической жизни Земли, описать их, а затем доказать и объяснить остальному миру.

Суточное вращение Земли - вращение Земли вокруг своей оси с периодом в одни звёздные сутки , наблюдаемым проявлением чего является суточное вращение небесной сферы . Вращение Земли происходит с запада на восток . При наблюдении с Полярной звезды или северного полюса эклиптики вращение Земли происходит против часовой стрелки.

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  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 .

  Файл:Al-Tusi Nasir.jpeg

  Насир ад-Дин ат-Туси

  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.

  См. также

  Примечания

  1. Пуанкаре, О науке , с. 362-364.
  2. Впервые этот эффект наблюдал