Масса Луны
Масса Луны составляет 1,23 % от массы Земли. Иными словами, масса Луны в 81 раз меньше массы Земли. Среди всех спутников планет Солнечной системы Луна стоит на шестом месте по массе.
Масса и плотность Луны:
Масса Луны составляет 7,35 · 10 22 кг или, если быть точнее, 7,3477 · 10 22 кг. Она равна всего лишь 1,23 % от массы Земли. Иными словами, масса Луны в 81 раз меньше массы Земли.
Среди всех спутников планет Солнечной системы Луна стоит на шестом месте по массе (после Титана – спутника Сатурна, Ганимеда – спутника Юпитера, Каллисто – спутника Юпитера, Тритона – спутника Нептуна и Ио – спутника Юпитера).
Масса, как физическая величина, является мерой гравитационных свойств тела (гравитации, притяжения) и мерой его инертности. Соответственно различают гравитационную массу тела и инертную массу тела. В современной физике гравитационная масса и инертная масса считаются равными.
Как следствие проявления гравитационных свойств и действия закона всемирного тяготения два тела притягиваются друг к другу тем сильнее, чем больше их массы. Или чем больше масса тела, тем с большей силой она притягивает другие тела. Гравитационная масса определяет меру такого гравитационного притяжения (силы гравитационного притяжения).
Согласно закону всемирного тяготения сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием r, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния:
где G – гравитационная постоянная, равная примерно 6,67⋅10 −11 м³/(кг·с²).
При этом масса тела не зависит от скорости движения тела и остается неизменным при любых процессах.
Масса измеряется в килограммах и относится к одной из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ).
Исходя из массы Луны, как физической величины рассчитываются и другие параметры естественного спутника Земли: плотность, ускорение свободного падения, сила тяжести, первая космическая скорость, вторая космическая скорость и пр.
Средняя плотность Луны (ρ) – 3,3464 г/см³ или 3346,4 кг/м³. Для сравнения: средняя плотность Земли (ρ) – 5,5153 г/см³.
Сила тяжести и ускорение свободного падения на Луне:
Ускорение свободного падения на экваторе Луны (g) равно 1,62 м/с² или 0,165 g Земли. Для сравнения: на Земле ускорение свободного падения составляет 9,81 м/с 2 и меняется от 9,832 м/с² на полюсах до 9,78 м/с² на экваторе.
Сила тяжести на Луне в 6,06 раз меньше, чем на Земле. Это означает, что человек, весящий 72 кг, будет весить на Луне всего 11,952 кг, т.е. около 12 кг. Каждый шаг потребует в 6 раз меньше усилий, чем на Земле. Если быть точнее, то вес человека на Земле равен 72 кг · 9,81 м/с 2 = 706,32 Н, а вес на Луне равен 72 кг · 1,62 м/с 2 = 116,64 Н. В то время масса человека на Луне (72 кг) будет одинаковой, что и на Земле (72 кг).
Вес – это сила, с которой любое тело, находящееся в поле сил тяжести (как правило, создаваемое каким-либо небесным телом, например, Землёй, Солнцем и т. д.), действует на опору или подвес, препятствующие свободному падению тела. Вес тела, покоящегося в инерциальной системе отсчёта, равен силе тяжести, действующей на тело. Сила тяжести – это сила притяжения тела к небесному телу.
Вес (сила тяжести) рассчитывается по формуле F = m·g ,
F – сила тяжести, Н,
m – масса тела, кг,
g – ускорение свободного падения, м/с 2 .
Первая космическая скорость и вторая космическая скорость на Луне:
Первая космическая скорость (v1) на Луне равна 1,68 км/с. Для сравнения: первая космическая скорость на Земле равна 7,91 км/с.
Первая космическая скорость (круговая скорость) – это минимальная (для заданной высоты над поверхностью планеты) горизонтальная скорость, которую необходимо придать объекту, чтобы он совершал движение по круговой орбите вокруг планеты.
Первая космическая скорость определяется массой и радиусом небесного тела, а также высотой над его поверхностью.
Первая космическая скорость вычисляется по формулам:
,
,
М – масса планеты, кг,
R – радиус орбиты, м,
R0 – радиус планеты, м,
h – высота над поверхностью планеты, м.
Вторая космическая скорость (v2) на Луне равна 2,38 км/с. Она в 5 раз меньше (или 0,2 раза больше) второй космической скорости на Земле. Для сравнения: вторая космическая скорость на Земле равна 11,19 км/с.
Вторая космическая скорость (параболическая скорость, скорость освобождения, скорость убегания) – это наименьшая скорость, которую необходимо придать объекту (например, космическому аппарату), масса которого пренебрежимо мала по сравнению с массой небесного тела (например, планеты), для преодоления гравитационного притяжения этого небесного тела и покидания замкнутой орбиты вокруг него.
Вторая космическая скорость определяется радиусом и массой небесного тела.
Вторая космическая скорость вычисляется по формулам:
,
.
Влияние Луны на Землю:
Луна является крупным и массивным спутник Земли , а потому она оказывает ощутимое гравитационное воздействие на планету. Основным проявлением такого гравитационного воздействия являются морские приливы и отливы. На противоположных сторонах Земли образуются (в первом приближении) две выпуклости – со стороны, обращённой к Луне, и с противоположной ей. В мировом океане этот эффект выражен намного сильнее, чем в твёрдой коре (выпуклость воды больше). Амплитуда приливов (разность уровней прилива и отлива) на открытых пространствах океана невелика и составляет 30-40 см. Однако вблизи берегов вследствие набега на твёрдое дно приливная волна увеличивает высоту точно так же, как обычные ветровые волны прибоя. Учитывая направление обращения Луны вокруг Земли , можно составить картину следования приливной волны по океану . Сильным приливам больше подвержены восточные побережья материков. Максимальная амплитуда приливной волны на Земле наблюдается в заливе Фанди в Канаде и составляет 18 метров.
Как рассчитать силу тяжести на луне
В данной главе мы рассмотрим, как Луна воздействует своим гравитационным полем собственно на саму Землю, т.е. на ее тело и ее движение по орбите. Последствия данного воздействия для различных земных сфер — литосферы, гидросферы, ядра, атмосферы, магнитосферы и др., а также для биосферы будут рассмотрены в следующих главах.
ВНИМАНИЕ!
Графики гравитационного взаимодействия Луны и Земли см. с помощью сервиса
ЛУННЫЙ ФАКТОР
3.1. ПАРАМЕТРЫ ЛУННОЙ ГРАВИТАЦИИ.
Расчетные соотношения и константы
Для расчета гравитационного воздействия Луны воспользуемся формулой классической физики, определяющей силу F взаимного притяжения двух тел с массами M1 и M2, центры масс которых находятся друг от друга на расстоянии R:
(1) F (н) = (G x M1 x M2) / R 2 ,
где G = 6,67384 х 10 -11 — гравитационная постоянная.
Данная формула дает значение силы притяжения в единицах системы СИ — ньютонах (н). Для целей нашего трактата удобнее и понятнее будет оперировать килограммами силы (кгс), которые получаются делением F на коэффициент 9,81, т.е.:
(2) F (кгс) = (G x M1 x M2) / (9,81 х R 2 )
Для дальнейших расчетов нам потребуются следующие константы:
- масса Луны — 7,35 х 10 22 кг;
- среднее расстояние от Земли до Луны — 384400 км;
- средний радиус Земли — 6371 км;
- масса Солнца — 1,99 х 10 30 кг;
- среднее расстояние от Земли до Солнца — 149,6 млн. км;
Сила лунного притяжения на Земле
В соответствии с формулой (2), сила притяжения Луной тела массой 1 кг, находящегося в центре Земли, при расстоянии между Луной и Землей, равном его среднему значению, равна:
(3) F = (6,67 х 10 -11 х 7,35 х 10 22 х 1) / (9,81 х 384400000 2 ) = 0, 000003382 кгс
т.е. всего 3,382 микрограмма. Для сравнения расчитаем силу притяжения того же тела Солнцем (также для среднего расстояния):
(4) F = (6,67 х 10 -11 х 1,99 х 10 30 х 1) / (9,81 х 149600000000 2 ) = 0, 000604570 кгс,
т.е. 604,570 микрограмм, что почти в 200 (двести!) раз больше, чем сила притяжения Луной.
Кроме того, вес тела, находящегося на поверхности Земли, изменяется в гораздо более существенных пределах из-за отклонения формы Земли от идеальной, неравномерности рельефа и плотности, а также влияния центробежных сил. Так, например, вес тела массой в 1 кг на полюсах больше веса на экваторе примерно на 5,3 грамма, причем одна треть этой разницы обусловлена сплюснутостью Земли с полюсов, а две трети — центробежной силой на экваторе, направленной против силы тяжести.
Как видно, прямое гравитационное воздействие Луны на конкретное тело, находящееся на Земле, является в прямом смысле микроскопическим и при этом существенно уступает гравитационному воздействию Солнца и геофизических аномалий.
Градиент силы лунного притяжения
Обратимся к рис.3.1. Для среднего значения расстояния Земля — Луна сила притяжения Луной тела массой 1 кг, расположенного на поверхности Земли в ближайшей к Луне точке составляет 3,495 микрограмм, что на 0,113 микрограмм больше, чем сила притяжения того же тела, но расположенного в центре Земли. Сила же притяжения тела, находящегося на поверхности Земли, Солнцем (также для среднего значения расстояния) составит 604,622 микрограмма, что больше силы притяжения того же тела, но расположенного в центре Земли, на 0,052 микрограмма.
Рис.3.1 Лунная и солнечная гравитация
Т.о, несмотря на неизмеримо меньшую массу Луны по сравнению с Солнцем, градиент силы ее тяготения на орбите Земли в среднем в два с лишним раза больше градиента силы тяготения Солнца.
3.2. ВЛИЯНИЕ НА ТЕЛО ЗЕМЛИ
Для иллюстрации воздействия гравитационного поля Луны на тело Земли обратимся к рис. 3.2.
Рис.3.2 Влияние гравитационного поля Луны на тело Земли.
Данный рисунок представляет весьма и весьма упрощенную картину реакции тела Земли на воздействие лунной гравитации, но достоверно отражает суть процесса — изменение формы земного шара под воздействием т.н. приливных (или приливообразующих) сил, направленных вдоль оси Земля — Луна, и противодействующих им сил упругости тела Земли. Приливные силы возникают из-за того, что точки Земли, расположенные ближе к Луне, притягиваются к ней сильнее, чем точки, расположенные дальше от нее. Иными словами, деформация тела Земли является следствием градиента силы притяжения Луны и противодействующих ему сил упругости тела Земли. В результате действия этих сил размер Земли увеличивается в направлении действия приливных сил и уменьшается в поперечном направлении, вследствие чего на поверхности образуется волна, именуемая приливной. Эта волна имеет два максимума, находящиеся на оси Земля — Луна и перемещающиеся по поверхности Земли в направлении, противоположном направлению ее вращения. Амплитуда волны зависит от широты местности и текущих параметров орбиты Луны и может достигать нескольких десятков сантиметров. Максимальное значение она будет иметь на экваторе при прохождении Луной ее перигея.
Солнце также вызывает приливную волну в теле Земли, но существенно меньшую из-за меньшего градиента силы его тяготения. Совместное гравитационное воздействие Луны и Солнца на тело Земли зависит от их взаимного расположения. Максимально значение приливных сил и, соответственно, максимальная амплитуда приливной волны достигается при расположении всех трех объектов на одной оси, т.е. в состоянии т.н. сизигии (выравнивания), что имеет место при новолунии (Луна и Солнце в «соединении») или при полнолунии (Луна и Солнце в «оппозиции»). Данные конфигурации иллюстрируются рис. 3.3 и 3.4.
Рис.3.3 Совместное влияние гравитационных полей Луны и Солнца на тело Земли
в «соединении» (в новолуние).
Рис.3.4 Совместное влияние гравитационных полей Луны и Солнца на тело Земли
в «оппозиции» (в полнолуние).
По мере отклонения Луны и Солнца от линии сизигии вызываемые ими приливные силы и, соответственно, приливные волны начинают приобретать самостоятельный характер, их сумма уменьшается, а степень их противодействия друг другу растет. Противодействие достигает максимума, когда угол между направлениями на Луну и Солнце из центра Земли равен 90°, т.е. данные тела находятся в «квадрате», а Луна, соответственно, находится в фазе четверти (первой или последней). В этой конфигурации приливные силы Луны и Солнца действуют на форму тела Земли строго противоположно, соответствующие приливные волны на поверхности максимально разнесены, а их амплитуда минимальна, что иллюстрируется рис. 3.5.
Рис.3.5 Совместное влияние гравитационных полей Луны и Солнца на тело Земли в «квадрате».
Примечание. «Соединение», «оппозиция», «квадрат» (или «квадратура») — термины, используемые в астрономии и астрологии для определения геометрии взаимного расположения двух небесных тел или точек относительно Земли. Подробнее см. Лунные аспекты.
Физика земных приливных процессов под воздействием гравитационных полей Луны и Солнца весьма сложна и требует учета большого числа параметров. На эту тему было разработано большое число различных теорий, проведено много экспериментальных исследований, написано огромное количество статей, монографий и диссертаций. Даже на сегодняшней день в этой области остается много «белых» пятен, противоречащих друг другу точек зрения и альтернативных подходов. Для желающих углубиться в проблематику земных приливов можно рекомендовать фундаментальное исследование П. Мельхиора «Земные приливы» (пер. с англ., М., «Мир», 1968 г. 483 страницы).
3.3. ВЛИЯНИЕ НА ОРБИТУ ЗЕМЛИ
Как было отмечено в п.1.1 главы 1, Луна для естественного спутника планеты обладает аномально большой массой, поэтому более корректно считать, что Земля и Луна образуют двойную планетную систему, вращающуюся вокруг общего центра масс, который смещен относительно центра Земли в среднем на 4670 км. Вследствие этого Земля, вращаясь вокруг своей центральной оси, одновременно вращается и вокруг этого центра масс с периодом, равным синодическому лунному месяцу, т.е. 29,530588 солнечных суток. В результате на эллиптическую орбиту Земли накладывается переменнная «модулирующая» составляющая с соответствующей амплитудой и периодом (см. рис.3.6).
Рис.3.6 Модуляция орбиты Земли лунной гравитацией
Эта составляющая изменяет расстояние от Земли до Солнца, что приводит к колебаниям солнечной гравитации примерно на ± 450 мкгс, практически не влияя на ее градиент. Кроме того, она создает определенные силы инерции, внося дополнительный вклад в изменение силы тяжести в зависимости от положения тела на поверхности Земли, а также незначительно влияет на величину достигающей Земли солнечной энергии (см. здесь).
3.4. КРАТКОЕ РЕЗЮМЕ
Следствием воздействия лунной гравитации на Землю являются два фундаментальных явления:
- Лунные приливы на поверхности Земли — периодических изменений уровня земной поверхности, синхронизированные с суточным вращением Земли и перемещением Луны по орбите.
- Наложение на земную орбиту переменной составляющей, синхронизированной с вращением системы Земля — Луна вокруг общего центра масс.
Данные явления являются главными механизмами воздействия Луны на земные сферы — литосферу, гидросферу, земное ядро, атмосферу, магнитосферу и др. Более подробно об этом — в следующей главе.
Есть ли гравитация на Луне
Гравитация на Луне существенно слабее, чем на Земле — планете, которую сопровождает этот спутник. С данным обстоятельством и связано отсутствие атмосферы у первого небесного тела. Обладая крайне низкой гравитацией, оно не способно удерживать около себя даже газы. Наличие гравитационного поля у земного спутника подтверждает заснятый на видео эксперимент. В ходе него брошенные астронавтом перо и молоток падают на поверхность одновременно.
Притяжение Луны и Земли
Влияние земной гравитации на лунный ландшафт можно рассмотреть на примере лунных морей. На стороне спутника, обращенной к планете, их существенно больше — они составляют более 30% площади полушария. Для сравнения, на другом полушарии лунные моря занимают 2,5% площади поверхности.
Лунные моря представляют собой относительно ровные участки поверхности небесного объекта, залитые застывшей лавой и покрытые пылью. Скопление их на обращенной к Земле стороне ученые объясняют действием силы земного притяжения. Если бы не приливные силы Земли, то лава распределилась бы по поверхности небесного тела равномерно.
Гравитационные силы Луны оказывают влияние на Землю. В первую очередь сила лунного тяготения сказывается на водных массах.
В науке популярно утверждение, что с этим влиянием связаны морские приливы и отливы:
- Прилив наблюдается на том полушарии, над которым находится в данный период спутник.
- Отлив является результатом того, что по мере движения небесных тел влияние гравитации Луны ослабевает.
Научный мир не смущают некоторые парадоксы. Например, влияние Солнца на земную поверхность во много раз больше по сравнению с влиянием спутника. Однако причиной подъема и спада уровня моря считают не его, а Луну.
Неравновесная Луна
Ландшафт видимой с земной поверхности половины Луны существенно отличается от той половины спутника, которая обращена в обратную сторону.
Лунные моря на видимой стороне небесного тела занимают более трети поверхности, а на другой стороне — около 2,5% площади.
Имея более темную окраску, эти участки поверхности спутника отражают существенно меньше солнечной энергии. Значит, та сторона земного спутника, которая видна с поверхности планеты, отражает солнечной энергии намного меньше. Это явление может служить одним из примеров неравновесности 2 полушарий небесного тела.
Аномальная гравитация на Луне
Изучение гравитационного поля небесного тела проводилось посредством регистрации его влияния на орбиты искусственных спутников Луны. Данные, полученные космическими аппаратами «Луна-10» и «Лунар орбитер», не только помогли ответить на вопрос, есть ли гравитация на Луне, но и выявили ее особенности.
Исследования земного спутника показали, что гравитационное поле Луны неоднородно. Исследователи связывают эту особенность с концентрацией в толще лунных морей структур, имеющих высокую плотность. Ученые решили использовать для обозначения таких суперплотных фрагментов термин “масконы”. Высокая плотность этих геологических структур позволяет создавать выраженное возмущение в гравитационном поле земного спутника. Их действие на космические аппараты на лунной орбите способно влиять на курс космических объектов.
В ходе исследований космоса было обнаружено, что масконы и порождаемые ими гравитационные аномалии наблюдаются в тех областях, где располагаются ударные кратеры.
Механизм образования масконов научный мир связывает с накоплением и уплотнением материи космического объекта в той части кратера, которая погружена в мантию небесного тела. Сюда же, способствуя дальнейшему уплотнению, сползают и горные породы со склонов ударной воронки.
Другая теория образования лунных гравитационных аномалий указывает, что в области лунных морей образуется дополнительная сила притяжения. Это происходит в результате аккумулирования этими участками поверхности большего количества солнечный энергии. Ведь плоская, имеющая темный цвет поверхность быстрее и сильнее нагревается от солнечных лучей и гораздо медленнее остывает по сравнению с окружающим лунным грунтом.
Утверждается также, что некоторые из гравитационных аномалий связаны с упавшими и проникшими в лунную кору метеоритами, состоящими из вещества, имеющего высокую плотность.
Взаимное притяжение Земли и Луны
Что такое притяжение Земли и Луны? Это сила и взаимодействие материи, свойственное всем телам и предметам в нашей Вселенной. По другому, называется гравитацией или всемирным тяготением.
Безусловно, каждый слышал это понятие, но не все понимают его значение и роль в окружающем нас мире. Хотя во многом благодаря силам гравитации этот мир и существует в таком виде, каким мы его наблюдаем вокруг себя. Можно сказать, что земная жизнь напрямую зависит от данного явления.
Гравитация
Сила гравитации на Земле
Гравитационное поле Земли представляет собой поле силы тяжести, которое формируется земным тяготением и центробежной силой планеты, вызванной её вращение вокруг своей оси.
Гравитацию можно рассчитать, если знать массу тел и расстояние между их центрами. Также следует учитывать, гравитационное поле. Поскольку чем оно сильнее, тем больше будет масса тела и, соответственно, его ускорение.
С какой силой притягивается к Земле или точнее, как рассчитать силы гравитации, можно ознакомиться тут.
Притяжение Земли и Луны
Не секрет, что Луна является естественным спутником нашей планеты. То есть сила притяжения Земли удерживает её возле себя. Однако учёные установили, что расстояние до спутника ежегодно увеличивается почти на 4 см. Почему это происходит, рассмотрим ниже.
Поскольку лунные значения размера и массы меньше нашей планеты, то его сила притяжения намного слабее.
Сила притяжения Луны к Земле
Как стало известно, существует взаимное притяжение Земли и Луны. Разумеется, взаимодействие земной и лунной стороны не проходит незаметно для обоих. По данным учёных, гравитационное поле нашего спутника влияет на разные земные сферы.
Главным образом, лунная гравитация формирует на Земле периодические изменения уровня земной поверхности. Прежде всего, такие изменения связаны с вращением планеты вокруг совей оси и движением Луны по орбите. По-другому их называют лунными приливами.
Земля и Луна
Что такое лунные приливы и отливы?
Как оказалось, два раза за сутки происходит повышение и понижение уровня воды на водных просторах Земли. Это связано с притяжением Луной отдельных частиц с земной поверхности. То есть, те элементы, которые находятся ближе к ней, притягиваются сильнее (расстояние между ними уменьшается), и наоборот. А так как наша планета беспрерывно вращается, то и влияние на определенные частицы меняется. Наибольшее влияние оказывается на водную оболочку.
Так вот, сторона, обращенная к Луне в определенный промежуток времени, испытывает большую силу притяжения к ней. В результате вода на этой стороне поднимается, образуя прилив, тем самым снижая уровень воды на противоположной стороне, формируя отлив.
Кроме того, из-за земного вращения приливная волна движется в направлении с запада на восток. А также она опережает лунное движение. В свою очередь, эта борьба на опережение увеличивает скорость движения Луны. Собственно говоря, вот и причина её удаления от Земли.
Лунные приливы и отливы
Однако, перемещение воды в океанах влияет и на саму планету. Поскольку приливная волна практически постоянно наталкивается на материки, что создает для неё препятствия. В итоге, эти преграды, вращение планеты и лунная гравитация вызывают силу, которая действует противоположно земной поверхности.
Как результат, происходит уменьшение скорости вращения Земли вокруг своей оси. Поэтому мы наблюдаем увеличение продолжительности оборота планеты, и соответственно увеличение продолжительности дня. Конечно, процесс данного роста протекает очень медленно. Но его наличие отрицать сложно.
Как видно, любой происходящий процесс на планете, нашей или любой другой, обязательно связан с какими-либо процессами на других объектах. Это могут быть как земные, скажем ближние, объекты, так и космические тела. Все во Вселенной взаимосвязанно и непрерывно. Вероятно, наша задача не просто узнать и изучить взаимодействие, но и использовать накопленные знания для поддержания и сохранения жизни.
Идеальное одиночество и покой — лучшее, что способен подарить людям единственный спутник Земли.
Харуки Мураками. 1Q84