Miért nem esik a Hold a Földre?
Az égitestek mozgásának törvényszerűségei
Egyszer azt kérdezték tőlem, mi történnék akkor, ha valamilyen ok miatt
a Hold megállana keringésében?
A Föld és a Hold
kölcsönösen vonzzák egymást. Ha a Hold
megállana keringésében, a Föld
és a Hold elindulnának
egymás felé. Próbáljuk meg röviden számításokkal kísérni a feltételezett
katasztrófa lefolyását.
Mindenekelőtt tudnunk kell, hogy a Hold
a Földtől olyan messzire
van, mint a Föld sugarának
60-szorosa, kereken 400.000 kilométer távolságra.
Mivel ismerjük a Föld
tömegét, a Hold
tömegét is, ezért ki
lehet számítani a közöttük ható vonzóerő nagyságát. Ez az erő 20.000 billió
tonnasúlynyi erő (egy billió = milliószor millió).
Ha tehát a Hold megállana,
akkor a Holdat 20.000
billió tonna súlyerő
kezdené mozgatni a Föld
felé. De a Földet is
ugyancsak 20.000 billió tonna erő
mozgatná a Hold felé,
mert kölcsönösen vonzzák egymást (ábra).
A Hold és a Föld
elindulnának egymás felé. Ez az indulás olyan finoman történnék, hogy észre
sem vennénk, hiszen a Föld
az első perc alatt mindössze 6 centiméter, a Hold
pedig 5 méternyi utat tenne meg.
Ha a Hold
megállana, 20.000 billió tonnasúlynyi vonzóerő
kezdené el mozgatni a Földet
és a Holdat egymás felé.
Körülbelül 3 nap múlva a Hold
9.600 méter másodpercenkénti
sebességgel ütköznék a Földhöz
De mozgásuk állandóan gyorsulna,
mert állandóan erő hatna
rájuk. Sőt ez az erő
egyre növekednék, mert mennél közelebb jutnának egymáshoz, annál nagyobb lenne
a kölcsönös vonzás.
Mennyi idő múlva ütköznének
össze?
Körülbelül három nap múlva bekövetkeznék a katasztrófa - elég hamar!
Mekkora sebességük lenne az összeütközés pillanatában?
A Föld végsebessége
120 méter másodpercenként
= 432 kilométer lenne óránként, tehát hatszor akkora sebesség,
mint az országúton futó gépkocsié. A Hold
pedig körülbelül hatszor akkora sebességgel
csapódna a Földbe mint
amilyen sebesen a leggyorsabb ágyúgolyó halad. A Hold
végsebessége másodpercenként
9.600 méter, óránként 34.560 kilométer lenne!
Miért nem történik meg ez a világkatasztrófa? Miért nem zuhan egymásra a Föld
és a Hold, ha olyan szörnyő nagy erővel vonzzák egymást?
Azért, mert a Hold keringő
mozgást végez a Föld
körül. A körpályán vagy egyéb görbe vonalú pályánán mozgó testre pedig röpítőerő
hat, amely erő el akarja távolítani a testet a forgási középponttól. Tehát a
Holdat a röpítőerő akarja
eltávolítani a Földtől,
de mivel a Hold megmarad
a pályáján, az bizonyítja, hogy a Föld
és a Hold éppen akkora
erővel vonzzák egymást, mint amekkora az ellenkező irányú röpítőerő (ábra).
A Holdra
ható vonzóerő pályájának
minden pontjában akkora,
mint az ellenkező irányú röpítőerő.
Miért nem esnek a bolygók a Napba?
Ugyanezt mondhatjuk a Nap
körül keringő bolygókra
is. A bolygók tehetetlenségüknél
fogva egyenes irányban mozognának. Ámde a Nap
és a bolygók között
kölcsönös tömegvonzás hat, amely egymáshoz akarja közelíteni őket. Meggörbül
a bolygók pályája,
keringeni kényszerülnek a Nap
körül. A keringő mozgás miatt a bolygókra
röpítőerő hat, amely
el akarja távolítani a bolygókat
a Naptól.
Ez a két ellenkező irányú erő ugyanakkora a bolygók
pályájának minden pontjáben. Ezért maradnak meg a bolygók
pályájukon.
De tudták-e mindezt akkor is, amikor először kezdték hirdetni azt, hogy a Föld
ás a többi bolygó a Nap körül keringenek?
Nem tudták, mert akkor még nem ismerték sem a keringő mozgás törvényét, sem
a tömegvonzást. Ezért érdekes lesz történelmi öszzefüggésben látni ezeket az
eseményeket.
Kopernikusz könyve 1543-ben jelent meg. Címe: Az égitestek keringéséről.
Ez a könyv forradalmat jelentett az emberek világszemléletében, mert az akkori
világfelfogással ellentétben azt állította, hogy a Föld és a bolygók a Nap körül
keringenek, tehát nem a Föld a világmindenség középpontja.
Ez a felfogás annyira merésznek látszott, hogy könyvét csak annak hangoztatásával
merték kiadni, hogy ez csupán feltevés. Elgondolását még kora legnevesebb csillagászai
sem fogadták el. Kepler 60 évvel később, 1610 körül, ennek az elméletnek
alapján csodálatosan szép törvényszerűségeket fedezett fel a bolygók mozgásában.
De a tudomány még akkor sem rendelkezett a szükséges fizikai ismeretekkel a
törvényszerűségek megmagyarázására.
Kepler azt gondolta, hogy a Napból valamiféle erő indul ki. Ez nem engedi őket
letérni pályájukról. - De miért mozognak a bolygók? Ezt szintén a Napból kiinduló
erőnek tulajdonította. Azt hitte, hogy ez az erő együtt forog a Nappal, mint
a kerék küllői a kerékkel, és mozgatja a bolygókat. Nem tudta azt, hogy a bolygók
tehetetlenségük miatt maradnak mozgásban.
A bolygók mozgását
csak akkor lehetett megmagyarázni, amikor megismerték a kör kerületán történő
mozgás törvényeit, ki tudták számítani a röpítőerő
nagyságát (Huygens,
1674), és amikor ezen az alapon valószínűsíteni lehetett a tömegvonzást.
- Emlékezhetünk arra, hogy a tömegvonzás,
a gravitáció elméletét
valóban csak tizenhárom évvel később közölte Newton.
Tehát csak 144 évvel Kopernikusz
új világképének megszületése után fejlődött a tudomány annyira, hogy az új ismeretek
alapján, a fizika törvényeinek segítségével
megmagyarázható lett a bolygók
keringése a Nap körül.
De hogyan jutott Newtonnak
eszébe az, hogy összekapcsolja a keringő mozgást és a tömegvonzást,
és így érthetővé tegye azt, hogy a bolygók
valóban szabadon keringhetnek a Nap
körül?
Ő is tudta azt, amit mindenki tudott, hogy a bolygóknak
a röpítőerő miatt
valóban el kellene szakadniok a Naptól
- hacsak valamiféle erő
ezt meg nem akadályozza.
Már évtizedekkel előbb több kutató gondolt arra, hogy ez az erő
csak valamiféle vonzóerő
lehet. Sőt már azt is megmondták Newton
előtt mások, hogy ennek a vonzóerőnek
olyannak kell lennie, amely egymástól 2-szer, 3-szor távolabb levő testek között
4-szer, 9-szer gyengébben hat.
De ha mások előbb megmondották, hogy van vonzóerő
az égitestek között, sőt arra is rámutattak, hogyan függ ez az erő
a távolságtól - akkor miben áll Newton
érdeme?
Newtonnak sikerült
először igazolni számítással - mégpedig a Holdra
nézve - azt, hogy a röpítőerő
éppen akkora, mint a vonzóerő. Tehát abból a feltevésből, amit a többiek nem
tudtak igazolni, bizonyosság lett.
Newton idejében ez
a számítás legalább akkora szenzációt jelentett, mint az ha az első ember eljutna
a Holdra. (Azóta
eljutott - 1969. július 21-én 3 óra 56 perckor (UT) lépett a Hold
felszínére Neil Armstrong). Newton
ezzel a számítással tette lehetővé azt, hogy az emberi szellem behatoljon a
csillagvilágba, mint ahogyan évszázadokkal később, a mi korunkban megvan a reményünk
arra, hagy a szellemet majd a test is követhesse a csillagok világába.
Lássuk most Newton
történelmi jelentőségű számítását, amellyel kimutatta, hogy a Föld
és a Hold közötti vonzóerő
éppen akkora, mint a Holdra
ható röpitőerő.
Mindkét számítást bárki fejben is könnyen elvégezheti.
Számításunkat elegendő, ha a Hold
távolságában levő 1 kilogramm
tömegre nézve, végezzük
el, mert ha 1 kilogrammra
igaz az, hogy a vonzóerő
egyenlő a röpítőerővel, akkor akárhány kilogrammra
nézve igaz.
Mekkora a Föld vonzóereje
a Hold távolségában
levő 1 kilogramm
tömegre?
Ha ez az 1 kg tömeg a Föld felületén van, akkor a Föld felületén levő 1 kg tömeget
1 kilogrammsúly erővel vonzza.
A Hold a Föld
közáppontjától 60 földsugár-távolságban van. De ha 60-szor távolabb megyünk
a Föld középpontjától,
akkor a vonzóerő
60 . 60 = 3600-szor kisebb, mint a Föld
felszínén.
Ezért a Hold távolságában az 1 kg tömegre ható vonzóerő 3600-szor lesz kisebb
mint a Föld felszínén. De az 1 kilogrammsúlynak, az 1000 grammsúlynak 3600-ad
része 0,28 grammsúly.
A Hold tömegének minden 1 kilogrammnyi részét a Föld 0,28 grammsúlynyi erővel
vonzza.
Most pedig ki kell számítanunk azt, hogy a Hold
távolságában levő, tehát 400.000 kilométer hosszú zsinegre kötött 1 kilogrammos
testre (pl. kőre) mekkora röpítőerő
hat, ha ez a test 27 nap alatt fordul meg egyszer a Föld
körül.
A jól ismert alapesetből indulunk ki: ha ez az 1 kilogramm
tömegű test 1 méter
hosszú zsineg végén van és 1 másodperc
alatt fordul körbe 1-szer, akkor a testre ható röpítőerő 4 kilogrammsúly.
De jelenleg a zsineg nem 1 méter hosszú, hanem 400.000 kilométer, és a test
nem 1 másodperc alatt fordul 1-szer körbe, hanem 27 nap alatt. Fejben kissé
megerőltető lenne alapesetünkből kiindulva ezekre az adatokra átszámítani a
röpítőerőt, de ceruzával a kézben igen könnyű. Próbáljuk meg.
Ha alapesetünkben 400.000 km = 400.000.000 méter hosszú lenne a zsineg, akkor
a röpítőerő is ennyiszer több lenne,
vagyis 400.000.000 . 4 kgs = 1.600.000.000 kgs. Számítsuk
ezt át grammsúlyokba, tudjuk, hogy 1 kgs = 1.000 grammsúly.
1.600.000.000 kgs=1.600.000.000.000 grammsúly.
Ennyi lenne a röpítőerő a Hold
távolságában keringő 1 kg tömegű testre, ha az a test 1 másodperc alatt kerülné
meg a Földet. Ámde a
Hold sokkal lassabban
kering, kereken 27,3 nap, körülhelül 2.360.000 másodperc alatt kerüli meg a
Földet, ezért a röpítőerő 2.360.000 . 2.360.000 = kereken 5.670.000.000.000-szer
kevesebb, mint az előbb számított 1.600.000.000.000 grammsúly erő.
Ezért a Hold távolságában az 1 kg tömegre ható röpítőerő
Newton kezéből kiesik az írótoll
Amikor Newton számítása
közben észrevette, hogy a két adat valószínűleg egyezni fog, akkora izgalom
vett rajta erőt, hogy
egyszerűen kiesett kezéből az írószerszám. Nem tudott tovább írni, másnak diktálta
tovább elgondolását.
Ezt a nagy felindulást érthetővé teszi egy előzmény.
Newton már 20 évvel korábban is megpróbálkozott az előbbi számítássa], csakhogy
akkor nem egyezett a két eredmény. Ezért csalódottan feladta azt a nagy gondolatot,
hogy a röpítőerőt a feltételezett tömegvonzás egyensúlyozza.
Miért nem egyezett egymással a két eredmény Newton
első számításakor? Láttuk, hogy a számítás elvégzéséhez több adat szükséges:
a Hold távolsága, keringésideje
és a Föld sugara.
A Hold keringésidejét könnyű pontosan megmérni. De sem a Föld sugarát, sem a
Hold távolságát nem ismerték még a kellő pontossággal. Newton először ezekkel
a kevésbé pontos adatokkal számított. Az eredmény nem volt kielégítő (1666).
De húsz évvel később (1686) a Londoni Tudományos Társaság egyik ülésén előadást
hallott arról, hogy Picard (ejtsd: Pikár) francia földmérő pontosabban
mérte meg a Föld sugarát.
Azonnal megpróbálta ezzel sz új adattal elvégezni az egyszerű számítást, és
akkor történt, hogy meglepetésében és izgalmában kiesett kezéből az íróeszköz...
Így sikerült igazolnia a tömegvonzást az égitestek között. A földi testekre
nézve is kimondotta a tömegvonzást, bár ezt igazolni nem sikerült még száz éven
keresztül.
Így született meg az általános gravitáció törvénye.
A mesterséges holdak és az űrrakéták
Ezek után érthető, hogy miért nem esnek le a mesterséges holdak a Földre és
miért nem esnek bele az űrrakéták a Napba.
A mesterséges holdakat
először rakétával
fellövik néhány száz (vagy ezer) kilométer magasra, ahol a légkör
már olyan ritka, hogy csak nagyon kevéssé akadályozza mozgásukat, azután a vízszintes
helyzetbe, a Föld körüli
pályára irányítják
őket. Ha ebben a helyzetben a földfelszínhez viszonyított másodpercenkénti
sebességük 8 km,
akkor körpályán maradnak,
és nem esnek le, mert a Föld
vonzóerejével egyenlő nagyságú a rájuk ható röpítőerő. Ha sebességük
csökken az idők folyamán, akkor egyre közelebb jutnak a Földhöz,
a légkör sűrűbb rétegeibe kerülnek, súrlódnak, áttüzesednek, elégnek.
Mennél nagyobb sebességet kap a rakéta, annál hosszabbra nyúlt ellipszis alakú
pályán kering a Föld körül. Végül
A bolygók mozgásának Kepler által felfedezett törvényei
Ha mindezt tudjuk, természetesnek találjuk Kepler törvényét.
1. törvény.
A következő két törvényt magunktól is kitalálnánk. Ha ugyanis bolygó ellipszis
alakú pályán kering, akkor a pálya egyik részén közelebb kerül a bolygó a Naphoz,
a pálya másik részén pedig távolabb.
Mit gondolunk, változatlan marad-e közben a bolygó sebessége?
Ha
a bolygó közelebb
kerül a Naphoz, akkor
a vonzóerő nagyobb. De
hogy a bolygó mégse
essék a Napba, azért
növekednie
kell a röpítőerőnek
is. De a röpítőerő
akkor növekedik, ha a bolygó
sebesebben mozog a napközelben, mint a naptávolian (ábra).
Ezt mondja ki a Kepler-féle második törvény.
2. törvény.
Ha egy bolygó a
Naptól háromszoros földtávolságban
kering, akkor a keringési ideje 5,2 év. A bolygó
sebessége pedig
a Föld sebességének
0,58 része.
3. törvény.
Így például a Mars 1,52-szer távolabb van a Naptól, mint a Föld.
A Mars keringési ideje 1 év 322 nap. A Neptunusz 30-szor van távolabb, keringési
ideje 164 év 280 nap.