Среди законов, относящихся к астрономической науке, можно выделить следующие:
- Кеплеровы законы.
- Закон о всемирном тяготении.
- Закон Хаббла (о разбегании галактик).
Кеплеровы законы
Законы Кеплера. Иоганн Кеплер (1571-1630 годы), уроженец Германии, издал научный труд «Гармония мира», в котором вывел законы, присущие движению планет:
- Орбитам планет свойственна форма эллипса, один из фокусов этого эллипса занимает Солнце.
- Площади, описываемые векторами, проведёнными от планет до Солнца, за равные временные интервалы равнозначны.
- Квадраты времен обращения планет вокруг Солнца соотносятся в той же пропорции, что и их возведенные в куб усреднённые расстояния до Солнца.
Кеплеров закон № 1. Характерная траектория движения планет - замкнутая кривая в форме эллипса, при этом местонахождение Солнца это тот или иной фокус эллипса. У каждой орбиты есть два фокуса: пара точек внутри эллиптической орбиты, расположенных на постоянных расстояниях от неё. Кеплером было выявлено, что у всех орбитальных траекторий планет, входящих в солнечную систему, фактически, одна плоскость. Наибольшую вытянутость имеют орбиты Плутона и Марса, другие планеты обладают орбитами приближающимися, по форме, к окружностям. Отсюда, неформальное наименование, данное первому закону Кеплера, - закон эллипсов.
Кеплеров закон № 2. Планетарным скоростям наибольшие значения присущи тогда, когда планеты располагаются на минимальном расстоянии от Солнца, и наименьшие значения тогда, когда они удалены от светила на максимальное расстояние (солнечный перигелий и афелий соответственно). Следовательно, второму Кеплерову закону, может быть дана следующая формулировка: все планеты обращаются в плоскости, которая проходит через солнечный центр, причем радиус-вектор, соединяющий Солнце с планетой, за равные временные промежутки очерчивает равные площади.
Кеплеров закон № 3. Данный закон гласит, что возведённые во вторую степень периоды полного обращения планет соотносятся так же как кубы наибольших полуосей орбит этих же планет. В третьем Кеплеровом законе отображается взаимосвязь между расстоянием от планеты до звезды и периодом орбитального обращения.
Несмотря на высокую точность законов Кеплера (погрешность меньше 1%), вывод их основан на наблюдениях и умозаключениях. Теоретически они были обоснованы в 1682-ом году, с открытием закона всемирного тяготения (см. далее).
Рисунок 1. Законы Кеплера (а - первый, б - второй, в – третий). Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Закон всемирного тяготения
Закон, названный законом всемирного тяготения, был сформулирован Исааком Ньютоном (1643-1727 годы), который предположил, что любые тела в природе оказывают друг на друга влияние, осуществляемое как взаимное притяжение.
Силы, участвующие в этом процессе – гравитационные силы, иначе силы всемирного тяготения. Данные силы проявляют себя на всех объектах Вселенной.
Ньютоном была предложена формула закона всемирного тяготения:
Рисунок 2. Закон всемирного тяготения. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Где:
- $G$ - гравитационная постоянная,
- $m_1$ и $m_2$ - массы взаимодействующих тел,
- $r$ - расстояние между ними,
- $F$ - сила притяжения.
Следовательно, для закона всемирного тяготения, принята формулировка: всякие материальные точки (тела), взаимно притягивают друг друга, с силой прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, действие силы происходит вдоль линии, которая соединяет эти тела.
Гравитационная постоян¬ная обладает физическим смыслом, вытекающим из описываемого закона. Когда $m_1$ = $m_2$ = 1 кг, $r$ = 1 м, то $G = F$, т. е. имеет место равенство гравитационной постоянной и силы притяжения, для данных двух тел. Зна¬чение гравитационной постоян¬ной: $G = 6,67 • 10^{-11}$ $Н•м^2 / кг^2$. Действие сил всемирного тя¬готения возможно промеж любых материальных тел, но ощущается оно в том случае, если тела (или одно из взаимодействующих тел) имеют большие массы.
Частный вид представленных сил - силы притяжения тел к планетам, в частности к Земле. Название этой силы - сила тяжести. Эта сила придаёт всем телам ускорение, именуемое ускорением свободного падения. Из второго зако¬на Ньютона следует:
$g = F_T / M$; или $F_T = M • g$;
Ускорение свободного падения у земной поверхности имеет значение: $g$ ≈ $9,8 м/с^2$. Направление силы тяжести - всегда к земному центру.
При движении тела с ускорением, вес его можно определить как:
$P = M • (g + a)$,
где $a$ - ускорение поднимающегося или падающего тела. Поэтому, при свободном падении или движении тела в космосе с ускорением, равным ускорению свободного падения, вес тела приобретает нулевое значение - возникает невесомость.
Рисунок 3. Закон Всемирного тяготения. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Закон Хаббла
Закон Хаббла. Американский астроном, Эдвин Хаббл (1889-1953), открыл закон, доказывающий постоянное расширение нашей Вселенной. При этом, расширению вселенской области, в которой располагается и галактика Млечного пути (Наша Галактика), свойственны изотропия и однородность, т. е., расширение нашей Вселенной является одинаковым по всем направлениям. Закон, сформулированный Хабблом, доказывает и описывает кроме теории расширение Вселенной, также и основную теорию её образования - Большой взрыв. Самая распространённая формулировка закона Хаббла выглядит следующим образом:
$V = h_0 • R$,
где $V$ - галактическая скорость, $h_0$ - коэффициент пропорциональности, связывающий дистанцию между Землёй и космическим объектом со скоростью его отдаления (другое название коэффициента - «Постоянная Хаббла»), $R$ - расстояние до галактической структуры.
Существует и иная запись закона Хаббла:
$C • Z = h_0 • R$,
где $C$ - скорость света, $Z$ обозначает красное спектральное смещение - сдвиг линий спектра, создаваемых химическими элементами при их удалении, в красную длинноволновую сторону. Есть и другие определения этого закона, не меняющие его основной смысл.
Закон Хаббла занял важнейшее место в астрономической науке. Он массово применяется астрономами современности при разработке всякого рода научных гипотез, а также в космических наблюдениях.
Основное значение, которое закон Хаббла имеет для астрономии, состоит в подтверждении постулата о постоянном расширении Вселенной. Кроме того, он является добавочным обоснованием существующей гипотезы Большого взрыва, а, как теперь принято считать, ему должно принадлежать «почётное звание» толчка, приведшего к началу вселенского расширения. Закон, открытый Хабблом, дал понять, что расширение Вселенной одинаково по всем направлениям.
Рисунок 4. Закон Хаббла. Нет центра расширения, все тела удаляются от всех. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
