Почему Земля не падает на Солнце

Солнце притягивает Землю с колоссальной силой.

Логика подсказывает: объект должен упасть на источник притяжения. Яблоко падает на землю, камень срывается с обрыва. Мы, если подпрыгнем — нас сразу тянет вниз.

Почему же Земля и другие планеты за 4,5 миллиарда лет не рухнула на Солнце? И откуда у Земли такая высокая скорость — ведь ее никто не толкает для этого? А мы прекрасно знаем, что чтобы что-то двигалось — нужно приложить силу.

Парадокс: с точки зрения физики Земля действительно падает на Солнце. Прямо сейчас. Каждую секунду. Просто она постоянно…промахивается.

Именно поэтому Земля и другие планеты не падают на Солнце, а движутся по устойчивым орбитам. Давайте объясню подробно, как это происходит.

Орбита как вечное падение

Представьте пушечное ядро, выпущенное горизонтально с вершины горы. Оно летит вперёд, но гравитация тянет его вниз. Траектория искривляется, и ядро падает на землю в нескольких километрах от пушки. Если увеличить начальную скорость, ядро пролетит дальше. Ещё быстрее — ядро упадёт аж за горизонтом.

А теперь представьте скорость настолько большую, что ядро летит вперёд быстрее, чем поверхность Земли уходит вниз из-за кривизны планеты. Ядро падает, но Земля под ним изгибается с той же скоростью. Результат — замкнутая траектория вокруг планеты. Это и есть орбита. Еще одна хорошая аналогия — камень на веревке.

Земля движется вокруг Солнца точно по этому принципу. Она непрерывно падает к звезде под действием гравитации, но боковая скорость уносит планету вперёд. Солнце искривляет траекторию, заставляя Землю описывать эллипс, но не может остановить движение.

Пока вы его раскручиваете над головой, он не падает. Но у камня есть постоянная сила — человек собственной персоной, кто его и раскручивает. А как же Земля?

Отличная модель Солнечной системы, если не задаваться вопросом, кто крутит Землю и почему у него руки не устают.

Поэтому возникает логичный вопрос (по крайней мере, у меня в детстве он возник когда я только познакомился с азами физики из одной из прекрасных советских науч-поп передач):

Откуда у Земли ни с того ни с сего взялась эта огромная скорость? Ведь по законам Ньютона Земля должна была получить «пинок» — воздействие какой-то силы, чтобы с такой дикой скоростью полететь вперед. Где она этот импульс взяла?

Откуда у Земли взялась большая скорость

Скорость Земли не возникла из ниоткуда — она была заложена в протосолнечном облаке изначально.

Представьте огромное облако газа и пыли, которое медленно вращается в космосе. Изначальное вращение могло быть минимальным — один оборот за миллионы лет.

Источником стал взрыв соседней сверхновой, волна которой прошла сквозь облако и раскрутила его. Даже ничтожное начальное вращение уже содержало момент импульса — величину, которая не может исчезнуть просто так (ведь тут вакуум, на трение то энергия не расходуется!).

Взрыв сверхновой дал вещество для Солнца и планет и дал первый импульс. Дальнейшее вращение усилилось, что в основном связано с исходными несимметричными движениями газа. То есть где-то его было больше, где-то меньше, и движение под действием гравитации запустило вращение.

Когда облако начало сжиматься под действием гравитации, включился закон сохранения момента импульса.

Это как фигурист на льду, вспомните: раскинул руки — вращается медленно, прижал к телу — скорость резко растёт.

Облако сплющилось в тонкий вращающийся диск. Вещество в этом диске уже обладало высокой скоростью движения вокруг формирующегося Солнца. Из этого диска и родились планеты. Они унаследовали орбитальную скорость материала, из которого сформировались.

Хотя Солнце содержит 99,86% массы всей системы, большая часть момента импульса осталась у планет. Это ключевая деталь: планеты лёгкие, но быстрые.

Баланс гравитации и инерции

Устойчивость орбиты держится на балансе. С одной стороны действует гравитационное притяжение Солнца, с другой — инерция движения Земли.

Инерция — это свойство тела сохранять скорость и направление движения при отсутствии внешних сил. В космическом вакууме, где практически нет сопротивления, любой объект будет двигаться прямолинейно бесконечно долго, если на него не действуют силы.

Земля стремится лететь по прямой линии, как бильярдный шар после удара. Гравитация Солнца постоянно искривляет эту прямую, заставляя планету поворачивать. Если бы гравитация исчезла, Земля улетела бы в межзвёздное пространство. Если бы исчезла скорость — планета действительно упала бы на Солнце.

Математически этот баланс выражается простым соотношением:

Сила притяжения должна соответствовать скорости, необходимой для устойчивого орбитального движения.

Для Земли это орбитальная скорость около 30 километров в секунду — примерно 107 тысяч километров в час. Именно с такой скоростью Земля движется вокруг Солнца прямо сейчас.

Орбитальные скорости планет Солнечной системой

• Меркурий: 47,4 км/с
• Венера: 35,0 км/с
• Земля: 29,8 км/с
• Марс: 24,1 км/с
• Юпитер: 13,1 км/с
• Сатурн: 9,7 км/с
• Уран: 6,8 км/с
• Нептун: 5,4 км/с

Чем дальше планета от Солнца, тем слабее гравитация и тем меньшая скорость нужна для устойчивой орбиты. Меркурий мчится почти вдвое быстрее Земли, а далёкий Нептун движется в шесть раз медленнее.

Именно это соотношение скорости и гравитации объясняет, почему планеты не падают на Солнце.

Что удерживает планеты миллиарды лет

Орбиты планет устойчивы, потому что в космосе практически нет трения. На Земле любое движение постепенно затухает из-за сопротивления среды. В вакууме космоса сопротивления почти нет, поэтому орбитальное движение сохраняется чрезвычайно долго.

Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 км/с уже 4,5 миллиарда лет, изменяясь лишь незначительно. Энергия орбитального движения сохраняется практически идеально. Луна не падает на Землю по той же причине, по которой Земля не падает на Солнце.

Международная космическая станция вращается на высоте около 400 километров со скоростью 7,7 км/с. Там ещё присутствуют следы атмосферы (а значит — есть трение), поэтому МКС постепенно теряет высоту и требует регулярных коррекций орбиты. В противном случае, по оценкам астрофизиков, за год-полтора МКС бы упала на Землю из-за замедления вращения.