چرا سیارات به دور خورشید می چرخند؟ – اوینیسم

پاسخ ساده این است – زیرا خورشید پرجرم ترین جرم منظومه شمسی است.

کشش گرانشی خورشید بسیار زیاد است زیرا وزن خورشید در حدود 10×1.989 است.³⁰ کیلوگرم برای قرار دادن این موضوع در دیدگاه شما، خورشید حدود 99.8٪ سهم دارد از کل جرم منظومه شمسی!

به همین دلیل قوی ترین میدان گرانشی منظومه شمسی را دارد که باعث می شود سیارات دیگر به دور آن بچرخند.

اما وقتی سعی می کنید بیشتر حفاری کنید، سؤال دیگری وجود دارد، اگر خورشید چنین گرانش قوی دارد، چرا همه سیارات دیگر، از جمله زمین و سایر اجرام، با خورشید برخورد نمی کنند؟ یا مدار دقیقا چیست؟

قوانین حرکت و گرانش نیوتن

از مبانی شروع کنیم، در مکانیک کلاسیک، ما گرانش را به عنوان نیروی جاذبه بین اجسامی که جرم دارند، می بینیم و هر جسمی که مقداری جرم دارد میدان گرانشی دارد.

اس قانون جهانی گرانش نیوتن به ما آموخت که هر جسم عظیمی هر جسم دیگری را در اطراف خود جذب می کند، که به آن قانون گرانش نیوتن می گویند، به نظر می رسد:

$$F = – \frac{G m_1 m_2}{r^2}$$

در جایی که $G$ ثابت جهانی گرانش است، $m_1$ جرم یک جسم، $m_2$ جرم یک جسم دیگر، و $r$ فاصله بین مراکز دو جسم است.

اکنون می توانید فرض کنید که $m_1 = M_{sun}$ یا جرم خورشید و $m_2$ برابر با جرم هر جسم دیگری در منظومه شمسی است. نیروی گرانشی بین آنها را پیدا کنید.

به دلیل نیروی گرانش بین دو جسم، آنها نسبت به یکدیگر شتاب می گیرند، اما جسمی که جرم بیشتری دارد، تأثیر بیشتری روی دیگری دارد.

فرض کنید می‌خواهیم شتاب گرانشی یک سیاره به دلیل گرانش خورشید را بفهمیم، می‌توانیم با موارد زیر شروع کنیم:

$$F_{g} = M_{p}\cdot a$$

$$- \frac{G\cdot M_{s}\cdot M_{p}}{r^2} = M_{p}\cdot a$$

$$a = – \frac{GM_{s}}{r^2}$$

در اینجا، $F_{g}$ نیروی گرانشی بین سیاره و جسم است، $M_s$ و $M_p$ به ترتیب جرم خورشید و سیاره، $a$، شتاب هر سیاره به دلیل گرانش خورشید و $r$ فاصله بین آنهاست.

اکنون می دانیم نیروی گرانش که همه چیز را به سمت خورشید می کشد، اما چه چیزی مانع از سقوط یک سیاره به خورشید می شود؟

چه چیزی از سقوط سیارات به خورشید جلوگیری می کند؟

نیروی دیگری در کار اثر گرانش را خنثی می کند که به دلیل ماهیت حرکت این سیارات است.

این نیرو نامیده می شود نیروی گریز از مرکزبه همین دلیل است که وقتی سیم یویو را در هوا می‌چرخانید، کشیده می‌شود.

هرگاه جسمی حرکت دایره‌ای انجام دهد، همیشه یک نیروی خارجی را تجربه می‌کند که به آن می‌گویند نیروی غیر اینرسیکه به سادگی به این معنی است که هر زمان که چارچوب مرجع به خودی خود بچرخد، به عنوان یک نیرو درک می شود.

به این نیروی گریز از مرکز می گویند.

اگر بچه‌ها را تماشا کنید که چرخ و فلک سوار می‌شوند، هیچ نیروی خارجی در چارچوب مرجع شما وجود ندارد، اما وقتی خودتان سوار چرخ و فلک هستید، یعنی در چارچوب چرخان هستید، یک نیروی خارجی را تجربه خواهید کرد.

نیروی بیرونی باعث می شود احساس کنید در شرف پرتاب شدن از چرخ و فلک هستید.

در اینجا اولین قانون حرکت نیوتن آمده است – اینرسی برای توضیح.

“یک جسم در حال سکون در حالت سکون باقی می ماند و یک جسم در حال حرکت با سرعت ثابت در حرکت باقی می ماند مگر اینکه یک نیروی خالص خارجی به آن وارد شود.”

به دلیل تکانه، جسم مورد نظر می خواهد همیشه در یک مسیر مستقیم حرکت کند، اما به دلیل اینکه همیشه در یک حرکت دایره ای تغییر جهت می دهد، احساس نیرویی را ایجاد می کند که آن را به بیرون می کشد.

کودکان سوار بر چرخ و فلک در واقع نیروی جذابی مانند جاذبه را تجربه نمی کنند که آنها را به سمت مرکز سازه چرخ فلک می کشد.

نشیمنگاه آنها توسط میله ای به مرکز متصل می شود که آنها را در جای خود محصور نگه می دارد و نیروی کششی روی آن میله وجود دارد که به سمت مرکز هدایت می شود.

در حرکت سیارات گرانش خورشید را داریم که با آن به عنوان نیروی جاذبه ای برخورد می کنیم که سیارات را به سمت خورشید می کشد، در این مورد می توان آن را نیروی مرکزگرا نیز نامید.

هنگامی که سیارات به دور خورشید می چرخند، همان نوع نیروی گریز از مرکز به بیرون را تجربه می کنند که کشش گرانشی خورشید را متعادل می کند و باعث می شود که آنها بدون سقوط در آن به دور خورشید بچرخند.

اما باز هم این نیروی گریز از مرکز یک نیروی واقعی نیست، بلکه حاصل تکانه و سرعت جسم در حرکت دایره ای است.

تجسم مدارها: پرتاب یک توپ به فضا

یک راه سرگرم کننده تر برای تصور این سناریو در مدار این است که فرض کنید یک توپ را به بالا پرتاب می کنید، چه اتفاقی می افتد؟ مسافتی را در هوا طی می کند و سقوط می کند.

حالا این بار با قدرت بیشتری توپ را پرتاب کنید، حالا چی؟ فراتر از قبل رفت

سعی کنید آن را چند کیلومتر پرتاب کنید، ممکن است از نظر فیزیکی این کار ممکن نباشد، اما اجازه دهید فرض کنیم که می توانید.

با تمام قدرت تلاش کنید و آن را به ارتفاع 420 کیلومتر پرتاب کنید. آیا سقوط کرد

اگر این کار را به درستی انجام داده باشید، ممکن است آن را در حال خوشامدگویی به فضانوردان در ایستگاه فضایی بین المللی بیابید، ایستگاهی که در ارتفاع 420 کیلومتری نیز به دور زمین می چرخد.

با فرض اینکه درست متوجه شدید، این بدان معناست که اولاً توپ به ارتفاع 420 کیلومتری رسیده است، دوم اینکه دارای یک مسیر منحنی بوده و سوم اینکه سرعت کافی دارد، به این معنی که در سرعت مداری برای چرخش به دور زمین در ارتفاع 420 کیلومتری لازم است.

اگر هر سه شرط را با رنگ سبز مشخص کرده باشید، توپ هرگز برنمی گردد و همچنان زیر گرانش زمین می افتد، یعنی شروع به چرخش به دور زمین می کند.

ممکن است کمی غیر شهودی به نظر برسد، اما یک لحظه به آن فکر کنید.

سرعت مداری یک جسم به گونه ای که به دور زمین بچرخد به صورت زیر است:

$$V_0 = \sqrt{\frac{GM_{e}}{R}}$$

در اینجا $G$ دوباره ثابت گرانشی است، $M_{e}$ جرم زمین، و $R$ فاصله بین مرکز زمین و جسم است، ما می‌توانیم سرعت مداری مورد نیاز برای گردش به دور زمین را بدست آوریم. خورشید به سادگی با جایگزین کردن آن با جرم خورشید، فاصله.

و بله، مدار به سادگی مسیری است که آن جسم دنبال می‌کند، در حالی که به سمت جسم مرکزی سقوط می‌کند، اما سطح را از دست می‌دهد زیرا مسیر آن منحنی است.

سیارات و همه اجرام دیگری که به دور خورشید می‌چرخند، سرعت مداری لازم را دارند، به این معنی که در حالی که به سمت خورشید کشیده می‌شوند، به قدری سریع به طرفین حرکت می‌کنند تا از سقوط آنها به خورشید جلوگیری کنند.

اما سیارات چگونه سرعت خود را برای شروع به دست می آورند؟

سیارات سرعت اولیه خود را از کجا می گیرند؟

برای پاسخ به این سوال، باید عمیق‌تر به «شکل‌گیری سیاره‌ای» بپردازیم.

پذیرفته‌شده‌ترین نظریه در مورد شکل‌گیری خورشید و سیارات این است که از زمانی شروع شد که یک ابر مولکولی غول‌پیکر گازی تحت تأثیر گرانش خود شروع به فروپاشی کرد.

برای هر منظومه ستاره ای در جهان، ستاره اولین ستاره ای است که متولد می شود، به همین دلیل است که – در حالت ایده آل بیشترین جرم را به خود اختصاص می دهد – پرجرم ترین در آن منظومه است.

وجود دارد محیط بین ستاره ای (ISM) یا به سادگی ابرهای گازی که به طور نابرابر در جهان توزیع شده اند.

هر گاه تراکم این ابرها در ناحیه ای از فضا بیشتر باشد، به دلیل گرانش آن خوشه ابر در آن منطقه، شروع به انقباض می کند و جرم یا گاز بیشتری را از محیط اطراف جمع می کند.

با انقباض ابر گاز، به دلیل حفظ تکانه زاویه ای، شروع به چرخش می کند.

تکانه زاویه ای حرکت چرخشی یک جسم حول یک محور را توصیف می کند، حاصل ضرب سرعت چرخشی و اندازه آن است، که به این معنی است که وقتی جسم کوچک می شود، سرعت چرخش آن باید افزایش یابد.

این مجموعه به زودی آنقدر بزرگ می شود که گرانش توده جمع آوری شده شروع به فشرده کردن جرم خود در یک نقطه معین می کند و در نهایت به دلیل برخورد بین مولکول های گاز در حال فروپاشی شروع به گرم شدن می کند.

این منجر به تشکیل ستارگان می شود، پس از اینکه ستاره مقداری جرم باقیمانده در همسایگی اینجا و آنجا تشکیل می دهد، منجر به تشکیل سیارات و سیارک ها می شود که همگی با سرعت چرخش متفاوت هستند.

هر جسمی که سرعت کافی نداشته باشد قبلاً با خورشید برخورد کرده است.

بیشتر در مورد ماهیت واقعی گرانش – این واقعاً یک نیرو نیست

تا به حال، توضیح مدارها بر اساس قوانین کلاسیک فیزیک و با استفاده از قوانین حرکت و گرانش نیوتن بود.

بر اساس نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین، اجسام عظیم اجسام دیگر را به سمت خود جذب نمی کنند، به این معنی که گرانش در واقع یک نیرو نیست.

اجرام پرجرم تار و پود فضا-زمان را به گونه ای منحرف می کنند که جسمی که قرار بود برای همیشه از یک خط مستقیم در جهت خاصی پیروی کند، به نظر می رسد که به دور آن جسم می چرخد.

این یعنی چی؟

انیشتین فرض کرد که فضا و زمان مستقل نیستند بلکه به هم پیوسته اند و چگالی جرم-انرژی یک منطقه انحنای بافت فضا-زمان را تعیین می کند.

به دلیل تکانه یک جسم، در پرسپکتیو ما تمایلی به دنبال کردن یک خط مستقیم ندارد، بلکه به سادگی در امتداد انحنای فضا-زمان حرکت می کند.

مورچه ای را تصور کنید که روی کاغذ راه می رود، مسیر مستقیمی را روی آن دنبال می کند.

حالا این کاغذ را کمی خم کنید، برای مورچه همچنان در مسیر مستقیم است، اما برای شما در مسیر کج قرار دارد.

حالا کاغذ را طوری خم کنید که انتها به انتها به هم بپیوندد. چه اتفاقی خواهد افتاد؟

مورچه اکنون یک مسیر دایره ای را دنبال می کند بدون اینکه مجبور باشد از خط مستقیمی که دنبال می کرد منحرف شود.

مدارها در نسبیت عام اینگونه عمل می کنند.

و به اندازه کافی عجیب، معلوم می شود که هیچ جسمی از منظر شما مسیر مستقیمی را دنبال نمی کند مگر اینکه تحت تأثیر نیروی دیگری باشد، اما کوتاه ترین مسیر را با توجه به انحنای فضازمان دنبال می کند.

ما این مسیر را یک خط ژئودزیک می نامیم و این مسیرها مسیرهای طبیعی هستند که اجسام در غیاب نیروهای دیگر طی می کنند.

بنابراین شما یک جسم عظیم دارید که فضا-زمان را به دور خود می پیچد (این گرانش است)، برای هر جسم دیگری که در نزدیکی آن قرار دارد، مسیری که از هر نقطه A به B طی می کند، کوتاه ترین و مستقیم ترین مسیر برای آن جسم خواهد بود، حتی اگر برای شما به عنوان یک ناظر مانند یک خط مستقیم به نظر نمی رسد.