Геоцентрическая и гелиоцентрическая системы мира

 

 

 

 

 

 

2.2.3 Годичная вариация лучевых скоростей звёзд

Из-за орбитального движения Земли каждая звезда, расположенная  вблизи плоскости эклиптики то приближается, то удаляется от Земли, что можно обнаружить с помощью спектральных наблюдений (эффекта Доплера). Аналогичный эффект наблюдается для температуры реликтового излучения.

 

2.2.4 Вращение Земли вокруг своей оси

Суточное вращение Земли  — вращение Земли вокруг своей оси с периодом в одни звёздные сутки, непосредственно наблюдаемым проявлением чего является суточное вращение небесной сферы. Вращение Земли происходит с запада на восток. При наблюдении с Полярной звезды или северного полюса эклиптики, вращение Земли происходит против часовой стрелки.

Все экспериментальные  доказательства вращения Земли вокруг оси сводятся к доказательству того, что система отсчета, связанная  с Землей, является неинерциальной системой отсчета специального вида — системой отсчета, совершающей вращательное движение относительно инерциальных систем отсчёта.

В отличие от инерциального  движения (то есть равномерного прямолинейного движения относительно инерциальных систем отсчета), для обнаружения неинерциального  движения замкнутой лаборатории не обязательно производить наблюдения над внешними телами, — такое движение обнаруживается с помощью локальных экспериментов (то есть экспериментов, произведенных внутри этой лаборатории). В этом смысле слова неинерциальное движение, включая вращение Земли вокруг оси, может быть названо абсолютным.

 

 

 

2.2.4.1 Эффекты центробежной силы

Зависимость ускорения  свободного падения от географической широты. Эксперименты показывают, что  ускорение свободного падения зависит  от географической широты: чем ближе к полюсу, тем оно больше. Это объясняется действием центробежной силы. Во-первых, точки земной поверхности, расположенные на более высоких широтах, ближе к оси вращения и, следовательно, при приближении к полюсу расстояние  от оси вращения уменьшается, доходя до нуля на полюсе. Во-вторых, с увеличением широты угол между вектором центробежной силы и плоскостью горизонта уменьшается, что приводит к уменьшению вертикальной компоненты центробежной силы.

Это явление было открыто  в 1672 году, когда французский астроном Жан Рише, находясь в экспедиции в Африке, обнаружил, что у экватора маятниковые часы идут медленнее, чем в Париже. Ньютон вскоре объяснил это тем, что период колебаний маятника обратно пропорционален квадратному корню из ускорения свободного падения, которое уменьшается на экваторе из-за действия центробежной силы.

 

2.2.4.2 Сплюснутость Земли.

Влияние центробежной силы приводит к сплюснутости Земли у  полюсов. Это явление, предсказанное  Гюйгенсом и Ньютоном в конце XVII века, было впервые обнаружено в конце 1730-х годов в результате обработки данных двух французских экспедиций, специально снаряженных для решения этой проблемы в Перу и Лапландию.

Маятник Фуко. Эксперимент, наглядно демонстрирующий вращение Земли, поставил в 1851 году французский  физик Леон Фуко. Его смысл наиболее понятен в случае, если маятник закреплен на одном из полюсов Земли. Тогда его плоскость колебаний неизменна относительно инерциальной системы отсчета, в данном случае относительно неподвижных звезд. Таким образом, в системе отсчета, связанной с Землей, плоскость колебаний маятника должна поворачиваться в сторону, противоположную направлению вращения Земли. С точки зрения неинерциальной системы отсчета, связанной с Землёй, плоскость колебаний маятника Фуко поворачивается под действием силы Кориолиса.

Наиболее отчетливо  этот эффект должен быть выражен на полюсах, где период полного поворота плоскости маятника равен периоду  вращения Земли вокруг оси (звёздным суткам). В общем случае, период обратно  пропорционален синусу географической широты, на экваторе плоскость колебаний маятника неизменна.

В настоящее время  маятник Фуко с успехом демонстрируется  в ряде научных музеев и планетариев, в частности, в планетарии Санкт-Петербурга, планетарии Волгограда.

Существует ряд других опытов с маятниками, используемых для доказательства вращения Земли. Например, в опыте Браве (1851 г.) использовался конический маятник. Вращение Земли доказывалось тем, что периоды колебаний по и против часовой стрелки различались, поскольку сила Кориолиса в этих двух случаях имела разный знак. В 1853 г. Гаусс предложил использовать не математический маятник, как у Фуко, а физический, что позволило бы уменьшить размеры экспериментальной установки и увеличить точность эксперимента. Эту идею реализовал Камерлинг-Оннес в 1879 г

 

2.2.4.3 Гироскоп

Гироскоп — вращающееся  тело со значительным моментом инерции  сохраняет момент импульса, если нет  сильных возмущений. Фуко, которому надоело объяснять, что происходит с маятником Фуко не на полюсе, разработал другую демонстрацию: подвешенный гироскоп сохранял ориентацию, а значит медленно поворачивался относительно наблюдателя.

 

 

2.2.4.4 Отклонение снарядов при орудийной стрельбе.

Другим наблюдаемым  проявлением силы Кориолиса является отклонение траекторий снарядов (в  северном полушарии вправо, в южном — влево), выстреливаемых в горизонтальном направлении. С точки зрения инерциальной системы отсчета, для снарядов, выстреливаемых вдоль меридиана, это связано с зависимостью линейной скорости вращения Земли от географической широты: при движении от экватора к полюсу снаряд сохраняет горизонтальную компоненту скорости неизменной, в то время как линейная скорость вращения точек земной поверхности уменьшается, что приводит к смещению снаряда от меридиана в сторону вращения Земли. Если выстрел был произведен параллельно экватору, то смещение снаряда от параллели связано с тем, что траектория снаряда лежит в одной плоскости с центром Земли, в то время как точки земной поверхности движутся в плоскости, перпендикулярной оси вращения Земли. Этот эффект (для случая стрельбы вдоль меридиана) был предсказан Гримальди в 40-х годах XVII в. и впервые опубликован Риччоли в 1651 г.

 

2.2.4.5 Отклонение свободно падающих тел от вертикали.

Если скорость движения тела имеет большую вертикальную составляющую, сила Кориолиса направлена к востоку, что приводит к соответствующему отклонению траектории тела, свободно падающего (без начальной скорости) с высокой башни. При рассмотрении в инерциальной системе отсчета эффект объясняется тем, что вершина башни относительно центра Земли движется быстрее, чем основание, благодаря чему траектория тела оказывается узкой параболой и тело слегка опережает основание башни.

Этот эффект был предсказан Борелли в 1667 г. и Ньютоном в 1679 г. Ввиду сложности проведения соответствующих экспериментов эффект удалось подтвердить только в конце XVIII — первой половине XIX века (Гульельмини, 1791; Бенценберг, 1802; Райх, 1831).

Австрийский астроном Иоганн Хаген (1902 г.) осуществил эксперимент, являющийся модификацией этого опыта, где вместо свободно падающих грузов использовалась машина Атвуда. Это позволило снизить ускорение падения, что привело к уменьшению размеров экспериментальной установки и повышению точности измерений.

 

2.2.4.6 Эффект Этвёша.

На низких широтах  сила Кориолиса при движении по земной поверхности направлена в вертикальном направлении и её действие приводит к увеличению или уменьшению ускорения свободного падения, в зависимости от того, движется ли тело на запад или восток. Этот эффект назван эффектом Этвёша в честь венгерского физика Лоранда Этвёша, экспериментально обнаружившего его в начале XX века.

 

2.2.4.7 Опыты, использующие закон сохранения момента импульса.

Некоторые эксперименты основаны на законе сохранения момента  импульса: в инерциальной системе  отсчёта величина момента импульса (равная произведению момента инерции на угловую скорость вращения) под действием внутренних сил не меняется. Если в некоторый начальный момент времени установка неподвижна относительно Земли, то скорость её вращения относительно инерциальной системы отсчета равна угловой скорости вращения Земли. Если изменить момент инерции системы, то должна измениться угловая скорость её вращения, то есть начнётся вращение относительно Земли. В неинерциальной системе отсчёта, связанной с Землёй, вращение возникает в результате действия силы Кориолиса. Эта идея была предложена французским учёным Луи Пуансо в 1851 г.

Первый такой эксперимент  был поставлен Хагеном в 1910 г.: два груза на гладкой перекладине  были установлены неподвижно относительно поверхности Земли. Затем расстояние между грузами было уменьшено. В результате установка пришла во вращение. Ещё более наглядный опыт поставил немецкий учёный Ханс Букка (Hans Bucka) в 1949 г. Стержень длиной примерно 1,5 метра был установлен перпендикулярно прямоугольной рамке. Первоначально стержень был горизонтален, установка была неподвижной относительно Земли. Затем стержень был приведен в вертикальное положение, что привело к изменения момента инерции установке примерно в  раз и её быстрому вращению с угловой скоростью, в  раз превышающей скорость вращения Земли.

 

2.2.4.8 Воронка в ванне.

Поскольку сила Кориолиса  очень слаба, она оказывает пренебрежимо малое влияние на направление  закручивания воды при сливе в  раковине или ванне, поэтому в  общем случае направление вращения в воронке не связано с вращением Земли. Однако в тщательно контролируемых экспериментах можно отделить действие силы Кориолиса от других факторов: в северном полушарии воронка будет закручена против часовой стрелки, в южном — наоборот.

 

2.2.4.9 Закон Бэра.

Как впервые отметил  петербургский академик Карл Бэр  в 1857 году, реки размывают в северном полушарии правый берег (в южном  полушарии — левый), который вследствие этого оказывается более крутым (закон Бэра). Объяснение эффекта  аналогично объяснению отклонения снарядов при стрельбе в горизонтальном направлении: под действием силы Кориолиса вода сильнее ударяется в правый берег, что приводит к его размытию, и, наоборот, отступает от левого берега.

 

 

 

 

 

2.2.4.10 Ветры: пассаты, циклоны, антициклоны.

С наличием силы Кориолиса, направленной в северном полушарии  вправо и в южном влево, связаны  также атмосферные явления: пассаты, циклоны и антициклоны. Явление  пассатов вызывается неодинаковостью  нагрева нижних слоёв земной атмосферы  в приэкваториальной полосе и в средних широтах, приводящему к течению воздуха вдоль меридиана на юг или север в северном и южном полушариях, соответственно. Действие силы Кориолиса приводит к отклонению потоков воздуха: в северном полушарии — в сторону северо-востока (северо-восточный пассат), в южном полушарии — на юго-восток (юго-восточный пассат).

Циклоном называется атмосферный вихрь с пониженным давлением воздуха в центре. Массы  воздуха, стремясь к центру циклона, под действием силы Кориолиса  закручиваются против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном. Аналогично, в антициклоне, где в центре имеется максимум давления, наличие силы Кориолиса приводит к вихревому движению по часовой стрелке в северном полушарии и против часовой стрелки в южном. В стационарном состоянии направление движения ветра в циклоне или антициклоне таково, что сила Кориолиса уравновешивает градиент давления между центром и периферией вихря (геострофический ветер).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Заключение

Таким образом, при обоих указанных подходах к общей теории относительности признание эквивалентности систем Коперника и Птолемея оказывается несостоятельным. Этот вывод станет еще очевидней, если учесть, что равноправие, эквивалентность систем отсчета не может быть сведена к возможности перехода от одной к другой. Поскольку речь идет не о формально математических представлениях, а о материальных, объективных системах, надо принимать во внимание и происхождение системы, и ту роль, которую играют в ней различные материальные тела, и ряд других физических характеристик системы. Только такой подход является правильным. Сравнительное рассмотрение роли и места, занимаемых Солнцем и Землей в развитии солнечной системы, с достаточной ясностью показывает, что именно Солнце является естественным преимущественным телом отсчета для всей системы.

Гелиоцентрическая система мира является неотъемлемой частью современной научной картины мира. Она стала привычным, вошедшим даже в обыденное сознание фактом. Простейшие опыты с маятником Фуко и гироскопическими компасами наглядно демонстрируют вращение Земли вокруг своей оси. Аберрация света и параллакс неподвижных звезд доказывают вращение Земли вокруг Солнца. Но за этой простотой, за этой очевидностью лежат два тысячелетия напряженной и жестокой борьбы сил прогресса и реакции. Эта борьба еще раз свидетельствует о сложности и противоречивости процесса познания.

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1)Веселовский И. Н. Аристарх Самосский — Коперник античного мира // Историко-астрономические исследования, вып. VII. — М., 1961. — С. 17—70.

2) Веселовский И. Н. Кеплер и Галилей // Историко-астрономические исследования, вып. XI. — М., 1972. — С. 19—64.

3) Гурев Г. А. Учение Коперника и религия. — М.: Изд-во АН СССР, 1961.

4) Еремеева А. И. Астрономическая картина мира и её творцы. — М.: Наука, 1984.

5) Еремеева А. И., Цицин Ф. А. История астрономии. — М.: Изд-во МГУ, 1989.

6) Житомирский С. В. Античная астрономия и орфизм. — М.: Янус-К, 2001.

7) Идельсон Н. И. Этюды по истории небесной механики. — М.: Наука, 1975.

8) Кауффельд А. Защита Отто фон Герике системы Николая Коперника // Историко-астрономические исследования, вып. XI. — М., 1972. — С. 221—236.

9) Кимелев Ю. А., Полякова Н. Л. Наука и религия: историко-культурный очерк. — М.: Наука, 1988.

10) Кирсанов В. С. Научная революция XVII в. — М.: Наука, 1987.

11) Климишин И. А. Открытие Вселенной. — М.: Наука, 1987.

12) Климишин И. А. Элементарная астрономия. — М.: Наука, 1991.

13) Койре А. От замкнутого мира к бесконечной вселенной. — М.: Серия: Сигма, 2001.

14) Косарева Л. М. Картины Вселенной в европейской культуре XVI—XVII вв // На рубежах познания Вселенной (Историко-астрономические исследования, Вып. XXII). — М., 1990. — С. 74—109.

15) Кузнецов Б. Г. Развитие научной картины мира в физике XVII—XVIII века. — М.: АН СССР, 1955.

16) Ланской Г. Ю. Жан Буридан и Николай Орем о суточном вращении Земли // Исследования по истории физики и механики 1995—1997. — М.: Наука, 1999. — С. 87-98.

17) Михайлов Г. К., Филонович С. Р. К истории задачи о движении свободно брошенных тел на вращающейся Земле // Исследования по истории физики и механики 1990. — М.: Наука, 1990. — С. 93-121.

18) Нугаев Р. М. Коперниканская революция: интертеоретический контекст // Вопросы философии. — 2012. — № 3. — С. 110-120.