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!

Человеку потребовалось множество тысячелетий на понимание того, что Земля не является центром Вселенной и пребывает в постоянном движении.

Фраза Галилео Галлилея «И все-таки она вертится!» навсегда вошла в историю и стала своеобразным символом той эпохи, когда ученые из разных стран пытались опровергнуть теорию о геоцентрической системе мира.

Хотя вращение Земли было доказано около пяти столетий назад, точные причины, побуждающие ее двигаться, неизвестны до сих пор.

Почему Земля крутится вокруг оси?

В Средневековье люди считали, что Земля неподвижна, а Солнце и другие планеты вертятся вокруг нее. Только в XVI веке астрономам удалось доказать обратное. Несмотря на то что многие связывают это открытие с Галлилеем, на самом деле оно принадлежит другому ученому – Николаю Копернику.

Именно он в 1543 году написал трактат «Об обращении небесных сфер», где выдвинул теорию о движении Земли . Долгое время эта идея не получала поддержки ни со стороны его коллег, ни со стороны церкви, но в итоге оказала огромное влияние на научную революцию в Европе и стала основополагающей в дальнейшем развитии астрономии.


После того как теория о вращении Земли была доказана, ученые принялись искать причины этого явления. На протяжении последних столетий было выдвинуто множество гипотез, но даже сегодня точно ответить на этот вопрос не может ни один астроном.

В настоящее время существует три основные версии, которые имеют право на жизнь – теории об инертном вращении, магнитных полях и воздействии на планету солнечного излучения.

Теория об инертном вращении

Некоторые ученые склонны полагать, что когда-то (еще во времена своего появления и формирования) Земля раскрутилась, а сейчас вращается по инерции. Образовавшись из космической пыли, она стала притягивать к себе другие тела, которые придавали ей дополнительный импульс. Это предположение относится и к другим планетам Солнечной системы.

У теории есть немало противников, поскольку она не может объяснить, почему в разное время скорость движения Земли то увеличивается, то уменьшается. Непонятен также тот факт, по какой причине некоторые планеты Солнечной системы вращаются в другую сторону, как например Венера.

Теория о магнитных полях

Если попытаться соединить между собой два магнита с одинаково заряженным полюсом, они начнут отталкиваться друг от друга. Теория о магнитных полях предполагает, что полюса Земли тоже заряжены одинаково и как бы отталкиваются друг от друга, что заставляет планету вращаться.


Что интересно, недавно ученые сделали открытие, согласно которому магнитное поле Земли толкает ее внутренне ядро с запада на восток и заставляет его вращаться быстрее, чем остальная планета.

Гипотеза о воздействии Солнца

Наиболее вероятной принято считать теорию об излучении Солнца. Хорошо известно, что оно прогревает поверхностные оболочки Земли (воздух, моря, океаны), но при этом нагрев происходит неравномерно, в результате чего образуются морские и воздушные течения.

Именно они при взаимодействии с твердой оболочкой планеты заставляют ее вращаться. Своего рода турбинами, определяющими быстроту и направление движения, выступают континенты. Если они недостаточно монолитны, начинается их дрейф, что оказывает влияние на рост или снижение скорости.

Почему Земля движется вокруг Солнца?

Причиной обращения Земли вокруг Солнца называют инерцию. Согласно теории об образовании нашей звезды, около 4,57 млрд. лет назад в космосе возникло огромное количество пыли, которое постепенно превратилось в диск, а затем – в Солнце.

Внешние частички этой пыли стали соединяться между собой, образуя планеты. Уже тогда они по инерции начали вращаться вокруг звезды и продолжают двигаться по той же траектории и сегодня.


Согласно закону Ньютона, все космические тела передвигаются по прямой, то есть на самом деле планеты Солнечной системы, включая Землю, должны были давно улететь в открытый космос. Но этого не происходит.

Причина заключается в том, что Солнце имеет большую массу и, соответственно, огромную силу притяжения. Земля во время движения все время пытается устремиться от него по прямой линии, но гравитационные силы притягивают ее обратно, поэтому планета удерживается на орбите и крутится вокруг Солнца.

Земля находится постоянно в движении, вращаясь вокруг Солнца и вокруг своей собственной оси. Это движение и постоянный наклон оси Земли (23,5°) определяет многие эффекты, которые мы наблюдаем как нормальные явления: ночь и день (из-за вращения Земли вокруг своей оси), смена сезонов (из-за наклона оси Земли), и разный климат в различных областях. Глобусы можно вращать и их ось имеет наклон как и ось Земли (23,5°), поэтому с помощью глобуса можно проследить движение Земли вокруг своей оси довольно точно, а с помощью системы "Земля - Солнце" можно проследить движение Земли вокруг Солнца.

Вращение Земли вокруг своей оси

Земля вращается вокруг своей собственной оси с запада на восток (против часовой стрелки, если смотреть со стороны Северного полюса). Земле требуются 23 часа, 56 минут, и 4.09 секунды, чтобы закончить один полный оборот вокруг собственной оси. День и ночь обусловлены вращением Земли. Угловая скорость вращения Земли вокруг своей оси или угол, на который поворачивается любая точка на поверхности Земли, одинаков. Он составляет 15 градусов за один час. А вот линейная скорость вращения в любом месте на экваторе составляет приблизительно 1 669 километров в час (464 м/с), уменьшаясь до нуля на полюсах. Например, скорость вращения на широте 30° - 1445 км/ч (400 м/с).
Мы не замечаем вращения Земли по той простой причине, что параллельно и одновременно с нами движутся с той же скоростью все предметы вокруг нас и нет "относительных" движений предметов вокруг нас. Если, например, корабль будет идти равномерно, без ускорения и торможения по морю в спокойную погоду без волнения на поверхности воды, мы совсем не будем ощущать того, как такой корабль движется, если будем находиться в каюте без иллюминатора, поскольку все предметы внутри каюты будут двигаться параллельно вместе с нами и кораблём.

Движение Земли вокруг Солнца

В то время, как Земля вращается вокруг собственной оси, она обращается и вокруг Солнца с запада на восток против часовой стрелки, если смотреть с северного полюса. Земле требуется один звездный год (около 365,2564 суток), чтобы закончить один полный оборот вокруг Солнца. Путь движения Земли вокруг Солнца называется орбитой Земли и эта орбита не идеально круглая. Среднее расстояние от Земли до Солнца - приблизительно 150 миллионов километров, и это расстояние изменяется до 5 миллионов километров, формируя небольшой овал орбиты (эллипс). Ближайшая к Солнцу точка орбиты Земли, называется - Перигелий. Земля проходит эту точку в начале января. Наиболее удалённая от Солнца точка орбиты Земли, называется - Афелий. Земля проходит эту точку в начале июля.
Так как наша Земля движется вокруг Солнца по эллиптической траектории, то скорость по орбите изменяется. В июле скорость минимальна (29,27 км/сек) и после прохождения афелия (верхняя красная точка на анимации) она начинает ускоряться, а в январе скорость максимальна (30,27 км/сек) и начинает замедляться после прохождения перигелия (нижняя красная точка).
В то время, пока Земля делает один оборот вокруг Солнца, она преодолевает расстояние равное 942 миллионов километров за 365 дней, 6 часов, 9 минут и 9.5 секунд, то есть мы мчимся вместе с Землёй вокруг Солнца со средней скоростью 30 км в секунду (или 107 460 км в час), и в тоже самое время Земля вращается вокруг своей собственной оси за 24 часа один раз (за год 365 раз).
На самом деле, если рассматривать движение Земли более скрупулёзно, то оно намного сложнее, так как на Землю влияют различные факторы: вращение Луны вокруг Земли, притяжение других планет и звезд.

В том факте, что Земля крутится как вокруг своей оси, так и вокруг Солнца, нашего естественного светила, сегодня нет сомнений ни у кого из людей. Это абсолютный и подтвержденный факт, однако почему Земля крутится именно так, как она это делает? В данном вопросе мы сегодня и разберемся.

Почему Земля крутится вокруг своей оси

Начнем мы с самого первого вопроса, который заключается в природе самостоятельного вращения нашей планеты.

И ответом на данный вопрос, как на многие другие вопросы о тайнах нашей вселенной, является Солнце. Именно воздействие Солнечных лучей на нашу планету приводит её в движение. Если же немного больше углубиться в данный вопрос, то стоит отметить, что солнечные лучи прогревают атмосферу и гидросферу планеты, которые приводятся в движения в процессе нагрева. Такое движение и заставляет Землю двигаться.

Что же касается ответа на вопрос, почему Земля крутится против часовой стрелки, а не по ней, то как такового фактического подтверждения данному факту нет. Однако стоит отметить, что большинство тел в нашей Солнечной системе вращается именно по направлению против часовой стрелки. Именно поэтому данное условие коснулось и нашей планеты.

Кроме того, важно понимать, что Земля вращается против часовой стрелки только при условии, что на её движение наблюдение будет происходить с северного полюса. В случае наблюдений со стороны южного полюса, вращения будут происходить иначе – по часовой стрелке.

Почему Земля крутится вокруг Солнца

Что же касается более глобального вопроса, связанного с вращением нашей планеты вокруг своего естественного светила, то его мы максимально подробно рассматривали в рамках соответствующей статьи на нашем сайте. Однако если говорить коротко, то причиной такому вращению является закон всемирного тяготения, который в Космосе действует как и на Земле. И он заключается в том, что тела с более большой массой притягивают к себе менее «увесистые» тела. Таким образом, Земля притягивается к Солнцу и осуществляет вращение вокруг звезды за счет своей массы, а также ускорения, двигаясь строго по существующей орбите.

Почему Луна крутится вокруг Земли

Природу вращений естественного спутника нашей планеты мы также уже рассматривали, и причина такого движения имеет аналогичный характер – закон всемирного тяготения. Земля, разумеется, имеет более серьезную массу, чем Луна. Соответственно – Луна притягивается к Земле и производит движение по её орбите.

Движение вокруг оси вращения является одним из распространенных видов перемещения объектов в природе. В данной статье этот тип движения рассмотрим с точки зрения динамики и кинематики. Также приведем формулы, связывающие основные физические величины.

О каком движении пойдет речь?

В буквальном смысле речь пойдет о перемещении тел по окружности, то есть об их вращении. Ярким примером такого движения является вращение колеса автомобиля или велосипеда во время перемещения транспортного средства. Вращение вокруг своей оси фигуриста, выполняющего сложные пируэты на льду. Или вращение нашей планеты вокруг Солнца и вокруг собственной, наклонной к плоскости эклиптики, оси.

Как можно заметить, важным элементом рассматриваемого типа движения является ось вращения. Каждая точка тела произвольной формы совершает вокруг нее круговые движения. Расстояние от точки до оси называют радиусом вращения. От его значения зависят многие свойства всей механической системы, например момент инерции, линейная скорость и другие.

Если причиной линейного поступательного перемещения тел в пространстве является действующая на них внешняя сила, то причиной движения вокруг оси вращения является внешний момент силы. Эта величина описывается как векторное произведение приложенной силы F¯ на вектор расстояния от точки ее приложения до оси r¯, то есть:

Действие момента M¯ приводит к появлению углового ускорения α¯ в системе. Обе величины связаны друг с другом через некоторый коэффициент I следующим равенством:

Величина I называется моментом инерции. Он зависит как от формы тела, так и от распределения массы внутри него и от расстояния до оси вращения. Для материальной точки он вычисляется по формуле:

Если внешний равен нулю, тогда система сохраняет свой момент импульса L¯. Это еще одна векторная величина, которая, согласно определению, равна:

Здесь p¯ - импульс линейный.

Закон сохранения момента L¯ принято записывать в таком виде:

Где ω - скорость угловая. О ней речь пойдет дальше в статье.

Кинематика вращения

В отличие от динамики, этот раздел физики рассматривает исключительно практические важные величины, связанные с изменением во времени положения тел в пространстве. То есть объектом изучения кинематики вращения являются скорости, ускорения и углы поворота.

Для начала введем угловую скорость. Под ней понимают угол, на который тело совершает поворот за единицу времени. Формула для мгновенной угловой скорости имеет вид:

Если за одинаковые промежутки времени тело совершает повороты на равные углы, тогда вращение называют равномерным. Для него справедлива формула для средней угловой скорости:

Измеряется ω в радианах в секунду, что в системе СИ соответствует обратным секундам (с -1).

В случае неравномерного вращения используют понятие углового ускорения α. Оно определяет скорость изменения во времени величины ω, то есть:

α = dω/dt = d 2 θ/dt 2

Измеряется α в радианах в секунду квадратную (в СИ - с -2).

Если тело изначально вращалось равномерно со скоростью ω 0 , а затем начало увеличивать свою скорость с постоянным ускорением α, тогда такое движение можно описать следующей формулой:

θ = ω 0 *t + α*t 2 /2

Это равенство получается при интегрировании по времени уравнений угловой скорости. Формула для θ позволяет рассчитать число оборотов, которое сделает система вокруг оси вращения за время t.

Линейная и угловая скорости

Обе скорости друг с другом связаны. Когда говорят о скорости вращения вокруг оси, то могут иметь в виду как линейную, так и угловую характеристику.

Предположим, что некоторая материальная точка вращается вокруг оси на расстоянии r со скоростью ω. Тогда ее линейная скорость v будет равна:

Разница между линейной и угловой скоростью является существенной. Так, ω при равномерном вращении от расстояния до оси не зависит, величина же v линейно возрастает с увеличением r. Последний факт объясняет, почему при увеличении радиуса вращения сложнее удерживать тело на круговой траектории (увеличивается его линейная скорость и, как следствие, инерционные силы).

Задача на вычисление скорости вращения вокруг своей оси Земли

Каждый знает, что наша планета в Солнечной системе совершает два вида вращательного движения:

• вокруг своей оси;
• вокруг звезды.

Вычислим скорости ω и v для первого из них.

Угловую скорость определить не сложно. Для этого вспомним, что полный оборот, равный 2*pi радиан, планета совершает за 24 часа (точное значение 23 ч 56 мин. 4,1 сек.). Тогда значение ω будет равно:

ω = 2*pi/(24*3600) = 7,27*10 -5 рад/с

Рассчитанное значение является небольшим. Покажем теперь, как сильно абсолютная величина ω отличается от таковой для v.

Рассчитаем линейную скорость v для точек, лежащих на поверхности планеты, на широте экватора. Поскольку Земля является сплюснутым шаром, то экваториальный радиус немного больше полярного. Он составляет 6378 км. Пользуясь формулой связи двух скоростей, получаем:

v = ω*r = 7,27*10 -5 *6378000 ≈ 464 м/с

Полученная скорость равна 1670 км/ч, что больше скорости звука в воздухе (1235 км/ч).

Вращение Земли вокруг своей оси приводит к появлению так называемой кориолисовой силы, которую следует учитывать при полете баллистических ракет. Также она является причиной многих атмосферных явлений, например отклонения направления ветров пассатов к западу.