Vật Lý
Câu hỏi:
Adir Peretz
view on stackexchange
narkive permalink
Tại sao Mặt trăng không rơi xuống Trái đất? Đối với vấn đề đó, tại sao bất cứ thứ gì quay một vật thể lớn hơn lại không rơi vào vật thể lớn hơn?
Chín câu trả lời:
Mark Eichenlaub
view on stackexchange
narkive permalink
Mặt trăng không rơi xuống Trái đất vì nó nằm trong một quỹ đạo.
Một trong những điều khó khăn nhất để học về vật lý là khái niệm lực. Chỉ bởi vì có một lực tác động lên vật gì đó không có nghĩa là nó sẽ chuyển động theo hướng của lực. Thay vào đó, lực ảnh hưởng đến chuyển động theo hướng của lực nhiều hơn một chút so với trước đây.
Ví dụ: nếu bạn lăn một quả bóng bowling thẳng xuống một làn đường, sau đó chạy lên bên cạnh nó và đá nó về phía rãnh nước, bạn tác dụng một lực về phía rãnh nước, nhưng quả bóng không đi thẳng vào rãnh nước. Thay vào đó, nó tiếp tục đi xuống làn đường, nhưng cũng bắt kịp một chút chuyển động theo đường chéo.
Hãy tưởng tượng bạn đang đứng ở rìa của một vách đá cao 100m. Nếu bạn thả một tảng đá ra, nó sẽ rơi thẳng xuống vì nó không có vận tốc đầu, vì vậy vận tốc duy nhất mà nó nâng lên là hướng xuống từ lực hướng xuống.
Nếu bạn ném tảng đá ra theo chiều ngang, nó sẽ vẫn rơi, nhưng nó sẽ tiếp tục di chuyển theo chiều ngang và rơi theo một góc. (Góc không đổi – hình dạng là một đường cong được gọi là parabol, nhưng điều đó tương đối không quan trọng ở đây.) Lực hướng thẳng xuống, nhưng lực đó không ngăn đá chuyển động theo phương ngang.
Nếu bạn ném đá mạnh hơn, nó sẽ đi xa hơn và rơi ở một góc nông hơn. Lực tác dụng lên nó từ trọng lực là như nhau, nhưng vận tốc ban đầu lớn hơn nhiều và do đó độ lệch ít hơn.
Bây giờ, hãy tưởng tượng ném hòn đá thật mạnh để nó đi một km theo phương ngang trước khi chạm đất. Nếu bạn làm điều đó, một cái gì đó hơi mới sẽ xảy ra. Tảng đá vẫn rơi nhưng phải hơn 100m mới rơi xuống đất. Lý do là Trái đất bị cong, và khi tảng đá di chuyển ra ngoài hàng km đó, Trái đất thực sự bị cong bên dưới nó. Trong một km, nó cho thấy Trái đất cong đi khoảng 10 cm – một sự khác biệt nhỏ, nhưng là một sự thật.
Khi bạn ném tảng đá thậm chí còn mạnh hơn thế, sự uốn cong của Trái đất bên dưới càng trở nên đáng kể. Nếu bạn có thể ném tảng đá đi 10 km, Trái đất sẽ cong đi 10 mét, và trong 100 km ném trái đất cong đi cả km. Bây giờ hòn đá phải rơi xuống một đoạn rất dài so với vách đá 100m mà nó đã rơi xuống.
Hãy xem hình vẽ sau. Nó được tạo ra bởi Isaac Newton, người đầu tiên hiểu được quỹ đạo. IMHO, đó là một trong những biểu đồ vĩ đại nhất từng được tạo ra.
Điều nó cho thấy rằng nếu bạn có thể ném đá đủ mạnh, Trái đất sẽ cong ra khỏi bên dưới đá nhiều đến mức tảng đá thực sự không bao giờ tiến gần đến mặt đất hơn. Nó đi hết một vòng trong vòng tròn và có thể đập vào đầu bạn!
Đây là quỹ đạo. Đó là những gì vệ tinh và mặt trăng đang làm. Chúng tôi thực sự không thể làm điều đó ở đây gần bề mặt Trái đất do sức cản của gió, nhưng trên bề mặt của mặt trăng, nơi không có khí quyển, bạn thực sự có thể có quỹ đạo rất thấp.
Đây là cơ chế mà mọi thứ “ở lại” trong không gian.
Lực hấp dẫn sẽ yếu đi khi bạn ra xa hơn. Lực hấp dẫn của Trái đất ở mặt trăng yếu hơn nhiều so với ở vệ tinh quỹ đạo trái đất thấp. Vì lực hấp dẫn ở mặt trăng yếu hơn rất nhiều nên mặt trăng quay quanh quỹ đạo chậm hơn nhiều so với Trạm vũ trụ quốc tế. Mặt trăng mất một tháng để đi một vòng. ISS mất vài giờ. Một hệ quả thú vị là nếu bạn đi ra ngoài với khoảng cách vừa phải, khoảng sáu bán kính Trái đất, bạn sẽ đạt đến điểm mà lực hấp dẫn bị suy yếu đủ để một quỹ đạo quay quanh Trái đất mất 24 giờ. Ở đó, bạn có thể có “quỹ đạo không đồng bộ địa lý”, một vệ tinh quay xung quanh sao cho nó ở trên cùng một điểm trên đường xích đạo của Trái đất khi Trái đất quay.
Mặc dù lực hấp dẫn sẽ yếu đi khi bạn ra xa hơn, nhưng không có khoảng cách nào là giới hạn. Về lý thuyết, lực hấp dẫn kéo dài vĩnh viễn. Tuy nhiên, nếu bạn đi về phía mặt trời, cuối cùng lực hấp dẫn của mặt trời sẽ mạnh hơn lực hấp dẫn của Trái đất, và sau đó bạn sẽ không quay trở lại Trái đất nữa, thậm chí còn thiếu tốc độ quay quỹ đạo. Điều đó sẽ xảy ra nếu bạn đã đi khoảng 0,1% khoảng cách tới mặt trời, hoặc khoảng 250.000 km, hoặc 40 bán kính Trái đất. (Khoảng cách này thực sự nhỏ hơn khoảng cách tới mặt trăng, nhưng mặt trăng không rơi vào Mặt trời vì nó quay quanh mặt trời, giống như chính Trái đất vậy.)
Vì vậy, mặt trăng “rơi” về phía Trái đất do lực hấp dẫn, nhưng không tiến lại gần Trái đất hơn vì chuyển động của nó là một quỹ đạo và động lực của quỹ đạo được xác định bởi cường độ của lực hấp dẫn tại khoảng cách đó và bởi định luật chuyển động của Newton.
lưu ý: phỏng theo câu trả lời tôi đã viết cho một câu hỏi tương tự trên quora
user1355
view on stackexchange
narkive permalink
Mặt trăng liên tục rơi về phía trái đất nhưng luôn mất tích! Tương tự với các hành tinh khác.
Nói chung, trong trường lực trung tâm vuông nghịch đảo, người ta có thể tính toán quỹ đạo của một hạt và xác minh rằng quỹ đạo đó là một hình parabol hoặc hình elip hoặc hyperbol (phần hình nón) tùy thuộc vào vị trí ban đầu và động lượng ban đầu của hạt. Đối với một hệ hai vật thể với những điều kiện ban đầu nhất định, nó là một quỹ đạo elip ổn định. Trong trường hợp mặt trời và trái đất, nó là một hình elip (bỏ qua lực hút của các vật thể khác và cũng bỏ qua độ chính xác tương đối tính của quỹ đạo).
Trang này có một video hay.
Vintage
view on stackexchange
narkive permalink
Sự thật là mặt trăng luôn cố gắng rơi xuống trái đất do tác động của lực hấp dẫn; nhưng nó liên tục bị thiếu do vận tốc tiếp tuyến của nó.
Để hiểu điều này, hãy nghĩ đến việc xoay một tảng đá, buộc vào đầu sợi dây, xoay vòng vòng, bằng tay ngay trên đầu. Khi tảng đá di chuyển theo vòng tròn, nó liên tục bị kéo về phía bạn bởi lực trên dây (giống như lực hút của Trái đất lên mặt trăng). Tại sao tảng đá không đè lên đầu bạn, nếu bạn liên tục kéo nó về phía đầu mình? Câu trả lời là tảng đá luôn cố gắng thay đổi vectơ vận tốc của nó để làm được điều đó; nhưng sự thay đổi chỉ đủ để giữ nó theo một đường tròn, giống như lực kéo lên Mặt trăng chỉ đủ để giữ cho nó theo một quỹ đạo tròn quanh Trái đất.
Uri
view on stackexchange
narkive permalink
Một cách khác để xem xét nó: Trong hệ quy chiếu của trái đất, mặt trăng có mômen động lượng. Động lượng góc được bảo toàn nếu không có mô-men xoắn nào được đặt vào ($ \ tau = dL / dt $).
Lực hấp dẫn giữa trái đất và mặt trăng có phương hướng của khối tâm nên chúng không tạo ra mô-men xoắn ($ \ tau = mv \ times R $), do đó mômen động lượng ($ L $) không thể thay đổi.
Trọng lực vuông góc với vận tốc của mặt trăng, vì vậy nó thay đổi hướng chứ không phải độ lớn của tốc độ chính nó. $ L = mv \ times R $ và nếu $ L $, $ m $ và $ v $ không đổi thì $ R $ cũng phải không đổi để bán kính không thay đổi.
Jaleel
view on stackexchange
narkive permalink
Câu trả lời đơn giản nhất mà tôi có thể nghĩ ra là: Quỹ đạo của vật thể này của vật thể khác về cơ bản là một mức độ cân bằng giữa các lực, thực và giả. Chúng sẽ bao gồm lực hướng tâm (trọng lực) thu hút vật thể quay quanh (“sự rơi”) và lực ly tâm phát sinh từ quán tính của vật thể quay xung quanh (xu hướng của vật thể quay quanh chuyển động thẳng không đổi cách xa cơ thể nó đang quay xung quanh). Theo thuật ngữ Tương đối tính Tổng quát, quỹ đạo là kết quả của một vật thể chuyển động theo đường thẳng qua không gian cong tồn tại xung quanh vật thể có khối lượng lớn hơn. Nếu vật thể nhỏ hơn di chuyển với sự kết hợp vừa đủ của động lượng và khoảng cách, nó sẽ tiếp tục truyền vật thể có khối lượng lớn hơn sang các vùng không gian khác. Nếu sự kết hợp đó không đủ để vượt qua độ cong của không gian trong vùng xung quanh vật thể nặng hơn thì vật thể nhỏ hơn sẽ tiếp tục có xu hướng di chuyển theo đường thẳng nhưng nó phải làm như vậy trong một không gian cong mà nó không thể “thoát ra” . Nếu nó có đủ động lượng tối thiểu, xu hướng di chuyển theo đường thẳng ra khỏi vật thể nặng hơn sẽ khắc phục được độ cong đi xuống. Hai điều kiện này sẽ khiến vật thể nhỏ hơn, theo Newton, trở thành vệ tinh vĩnh viễn của vật thể có khối lượng lớn hơn bởi vì vật thể nhỏ hơn phải chuyển động trừ khi có một lực ngang bằng và ngược chiều tác dụng vào chuyển động của nó. Vật thể nhỏ hơn không chịu lực cản từ ma sát hoặc không khí trong không gian và lực hấp dẫn vuông góc, không ngược chiều với chuyển động của vật thể nhỏ hơn nên không có lực cân bằng và ngược chiều, vật thể nhỏ hơn tiếp tục hành trình của nó đối với vật thể nặng hơn vô thời hạn trong khi động lượng của nó cân bằng với trọng lực của cơ thể khổng lồ.
Anixx
view on stackexchange
narkive permalink
Hiện tại, Mặt trăng không rơi về phía Trái đất vì Trái đất tự quay. Năng lượng từ chuyển động tự quay của Trái đất quanh trục của nó dần dần được chuyển thành năng lượng của quỹ đạo chuyển động của Mặt trăng. Đó là lý do tại sao tốc độ quay của Trái đất giảm nhưng khoảng cách đến Mặt trăng lại tăng lên.
Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi chuyển động quay thích hợp của Trái đất sẽ chậm lại đến mức mà nó có cùng vận tốc góc với chuyển động quỹ đạo của Mặt trăng. Kể từ thời điểm đó, Mặt trăng sẽ bắt đầu tiến dần đến Trái đất.
Charles
view on stackexchange
narkive permalink
Câu hỏi ban đầu là:
Tại sao Mặt trăng, hoặc vật thể nào đó đang quay một vật thể khác lớn hơn, lại không rơi vào vật thể lớn hơn?
Những người khác đã trả lời rằng lực ly tâm bằng với lực hướng tâm, do đó, mặt trăng nằm trong quỹ đạo của trái đất.
Các vệ tinh quay quanh trái đất vì lý do tương tự. Tuy nhiên, quỹ đạo của vệ tinh đôi khi phân rã, vì vậy “quỹ đạo” của vệ tinh chuyển sang dạng xoắn ốc sụp đổ, và cuối cùng các vệ tinh quay trở lại trái đất (thường bốc cháy do ma sát khí quyển). Các quỹ đạo cũng có thể kết thúc theo hướng khác, nơi vệ tinh di chuyển khỏi trái đất theo hình xoắn ốc mở rộng, cuối cùng thoát khỏi hoàn toàn lực hấp dẫn của trái đất.
nikhil giri
view on stackexchange
narkive permalink
như chúng ta biết rằng mặt trăng quay xung quanh trái đất theo đường tròn trong đó lực hướng tâm được phát triển bởi lực hấp dẫn và sau đó lực hướng ra ngoài là kết quả của chuyển động tròn “lực ly tâm cân bằng lực hướng tâm.
Ed999
view on stackexchange
narkive permalink
Một điểm mà những câu trả lời này bỏ sót mối quan tâm là kéo khung .
Hành tinh Trái đất là một thiên thể khổng lồ, do đó nó tạo ra (hoặc gây ra) lực hấp dẫn; nhưng nó cũng là một cơ thể quay . Mặt trăng, đủ gần Trái đất để bị thu giữ bởi lực hấp dẫn của Trái đất, để nó ở trong quỹ đạo, tuy nhiên không quá gần đến mức chuyển động quỹ đạo của nó bị chậm lại do tiếp xúc với các phân tử khí quyển (gây ra lực cản – giảm tốc – trên vật thể ở quỹ đạo Trái đất thấp).
Vì Mặt trăng ở trong quỹ đạo lập trình (tức là nó quay quanh cùng hướng với Trái đất đang quay), lực hấp dẫn (quay) của Trái đất liên tục gia tốc Mặt trăng (vì Trái đất quay 28 vòng trong thời gian Mặt trăng quay một lần: tức là 28 ngày); do đó, theo thời gian, động lượng của Mặt trăng ngày càng tăng – khiến nó ngày càng xa Trái đất: một hiện tượng trong lịch sử được gọi là kéo khung hoặc kéo quay .
Loại gia tốc này đã được Einstein xác định trong Thuyết tương đối rộng của ông và được hiểu khá rõ. Mặt trăng trở nên xa hơn vài inch so với Trái đất trong suốt một trăm năm, vì vậy dần dần đang di chuyển theo hướng thoát khỏi quỹ đạo của nó, nhưng lý thuyết dự đoán rằng do tác động quá chậm nên hệ Mặt trời sẽ không còn tồn tại trước khi có đủ thời gian cho hiệu ứng khiến Mặt trăng thực sự thoát ra khỏi quỹ đạo Trái đất.
Gia tốc này áp dụng cho bất kỳ vật thể tự nhiên hoặc nhân tạo nào trong quỹ đạo (lập trình) về một khối hành tinh đang quay (và nếu quỹ đạo là ngược dòng thì hiệu ứng tương tự sẽ giảm tốc nó).
Vì vậy, câu trả lời thực sự cho câu hỏi ban đầu là không thể để một vệ tinh trong quỹ đạo ổn định về một khối hành tinh rơi ra khỏi bầu trời, trừ khi (a) hành tinh không quay, hoặc (b)bầu khí quyển của hành tinh gây ra các hiệu ứng kéo lên vệ tinh, hoặc (c) vệ tinh đang ở trong quỹ đạo ngược.Ở những nơi không xảy ra những điều này, khoảng cách giữa vệ tinh và hành tinh không thể giảm, vì động lượng của vệ tinh không thể giảm, do đó chuyển động hướng ra ngoài của nó (tức là động lượng góc của nó) không thể giảm bớt.
ⓘ
Câu hỏi & Đáp này đã được dịch tự động từ ngôn ngữ tiếng Anh.Nội dung gốc có sẵn trên stackexchange , chúng tôi cảm ơn vì giấy phép cc by-sa 3.0 mà nó được phân phối theo.
Loading…