ReqZnnuTzT005
Zdjęcie tarczy księżyca na czarnym tle. Księżyc jest w pełni. Na srebrnym globie widoczne liczne ciemne plamy.

Gdyby Księżyc był wielkości 1 piksela. Skala rozmiarów i odległości w Układzie Słonecznym

Źródło: Peter de Vink, dostępny w internecie: https://www.pexels.com/, domena publiczna.

Układ Słoneczny jest ogromny, a jego rozmiar jest trudny do wyobrażenia przy użyciu standardowych jednostek, którymi posługujemy się na co dzień. Odległość od Ziemi do Księżyca to prawie 400000 km 4·108 m, a do Słońca to prawie 150 milionów kilometrów 1,5·1011 m. Najdalsza planeta układu, Neptun, jest odległa od Słońca o prawie 4,5 miliarda kilometrów 4,5·1012 m. To tak naprawdę nic, w porównaniu z odległościami do gwiazd – jest to rząd wielkości 10161019 m, a najdalsza galaktyka, odkryta przez teleskop Hubble'a, oddalona jest o około 1026 m. W astronomii używa się najczęściej specjalnych jednostek opisujących te odległości. Inną metodą jest przedstawienie tego za pomocą odpowiedniej skali.

Twoje cele
  • zintepretujesz astronomiczne jednostki odległości;

  • zastosujesz odpowiednie jednostki do opisu odległości w Układzie Słonecznym;

  • przeliczysz jednostki stosowane w astronomii;

  • przedstawisz odległości i modele za pomocą skali.

Ze względu na to, że odległości kosmiczne są duże, to zwykle nie podaje się ich w metrach czy kilometrach. W astronomii posługujemy się specjalnymi jednostkami. Są to między innymi lata świetlne. Jeden rok świetlny (, ang. light year)rok świetlnyrok świetlny (, ang. light year) określa odległość jaką światło przebywa w ciągu roku. Prędkość światła jest wielkością stałą, więc dosyć łatwo obliczyć, jaką odległość nazywamy rokiem świetlnym.

Przykład 1

Oblicz ile km i ile m to jeden rok świetlny.

Rozwiązanie:

Do obliczeń użyjemy standardowego wzoru na prędkość

v=st,

gdzie s oznacza drogę, a t czas.

Wzór przekształcamy tak, by obliczyć drogę:

s=v·t,

jako prędkość podstawiamy prędkość światła:

v=c=3·108 ms,

a jako czas 1 rok wyrażony w sekundach (rok to w przybliżeniu 365 dni, dzień to 24 godziny, godzina to 60 minut, a minuta to 60 sekund):

t=365·24·60·60=31536000 s=3,1536·107 s.

Obliczamy drogę jaką przebywa światło w ciągu roku:

s=3·108 ms·3,15·107 s=9,46·1015 m,

co w przeliczeniu na kilometry daje 9,46·1012 km.

Wartość tabelaryczna roku świetlnego to 9,46·1012 km. Jednostka ta ułatwia opisywanie odległości w astronomii. Dla przykładu podając odległość od Słońca do Neptuna, zamiast napisać 4500000000000 m możemy zastosować 4,8·10-3 ly.

Inne jednostki, stosowane do określania kosmicznych odległości, to jednostka astronomiczna (au, ang. (astronomical unit)jednostka astronomicznajednostka astronomiczna (au, ang. (astronomical unit) lub parsek (pc, ang. parsec)parsekparsek (pc, ang. parsec). Jednostka astronomiczna określa odległość Ziemi od Słońca, 1 au wynosi dokładnie 149597870700 m, w przybliżeniu 150 milionów kilometrów. Dzięki temu łatwiej określić odległości planet od Słońca.

1
R5TeJ1N6wMRTF
Odległość planet od Słońca - skala nie jest zachowana
Źródło: edycja: GroMar Sp. z o.o., dostępny w internecie: https://pixabay.com/, licencja: CC BY 3.0.
Odległości planet Układu Słonecznego od Słońca

planeta

odległość

odległość

Merkury

Wenus

Ziemia

Mars

Jowisz

Saturn

Uran

Neptun

Parsek to jednostka, której nazwa pochodzi od metody wyznaczania odległości – paralaksy. Jest to efekt patrzenia na ten sam obiekt z różnych kierunków, związany – w tym przypadku – z ruchem Ziemi wokół Słońca. 1 pc oznacza odległość, dla której paralaksa całego rocznego okresu obiegu Ziemi jest kątem o wielkości 1 sekundy. 1 pc to inaczej 3,26 ly (roku świetlnego).

Przykład 2

Na podstawie wcześniejszych informacji, oblicz ile au i ile metrów to 1 pc.

Rozwiązanie:

Zapisujemy dane:

1 pc=3,26 ly
1 ly= 9,461·1015 m
1 au=1,5·1011 m

Obliczamy wartość parseka w metrach:

1 pc czyli 3,26 lyx

1 ly9,461·1015 m

x=3,26 ly·9,461·1015 m1 ly=3,08·1016 m

Obliczamy wartość parseka w au:

1 au1,5·1011 m

x3,08·1016 m

x=1 au·3,08·1016 m1,5·1011 m=2,05·105 au

Oprócz stosowania specjalnych jednostek, warto przedstawić Układ Słoneczny w znanych i używanych na co dzień jednostkach, np. centymetrach lub metrach, ale w odpowiedniej skali. Skala informuje ile razy dany obiekt został pomniejszony w odniesieniu do rzeczywistych rozmiarów. Najczęściej przedstawiana jest jako stosunek rozmiaru na danej grafice lub mapie do rozmiaru w rzeczywistości np. skala 1:100 mówi, że dany obiekt przedstawiony jest w 100–krotnym pomniejszeniu. Jaka skala byłaby jednak odpowiednia do przedstawienia Układu Słonecznego? Spróbujemy zamienić jednostki astronomiczne au na metry. Zakładamy zatem, że 1 au przedstawimy jako 1 m. Dzięki temu uzyskamy skalę 1:150000000000. Ponieważ odległość Ziemi od Słońca wynosi 1 au to w naszym pomniejszeniu byłby to 1 m. Odległość Neptuna od Słońca to jednak 30 au, co da aż 30 metrów. Nie łatwo byłoby stworzyć taki model. Przedstawienie graficzne Układu Słonecznego jest trudne i większość grafik nie zachowuje skali (Neptun musiałby być przedstawiany w odległości 30 razy większej niż Ziemia od Słońca).

R1AI8RxkjnWdg1
Układ Słoneczny - schemat, w którym nie są zachowane skale wzajemnych rozmiarów i odległości
Źródło: dostępny w internecie: https://pixabay.com/, licencja: CC BY 3.0.

Czy da się zatem stworzyć dobry model przyjmując ciała niebieskie jako bardzo małe? Swoją skalę zatytułowaną „Co gdyby Księżyc był wielkości jednego piksela” zaproponował amerykański projektant, grafik i pisarz Josh Worth. Stworzył on stronę internetową będącą modelem Układu Słonecznego przewijaną w poziomie od Słońca aż do ostatniej planety z założenia, że wielkość Księżyca wynosi 1 piksel (px, ang. pixel)piksel1 piksel (px, ang. pixel) i wielkości pozostałych planet i odległości są proporcjonalne. Piksel to najmniejszy element obrazu wyświetlany na ekranie monitora lub najmniejszy element drukowany cyfrowo. Standardowe drukarki atramentowe drukują w rozdzielczości 600 dpi – oznacza to, że w 1 calu 2,54 cm znajduje się 600 pikseli. Rozdzielczość monitora w technologii Full HD 1920 na 1080 pikseli. W założeniu modelu Josha Wortha jednym takim pikselem miał być Księżyc. Średnica Księżyca wynosi 3474,8 km, a zatem tej wielkości odpowiada jeden piksel w zastosowanej skali.

Przykład 3

Oblicz, ile pikseli wynosi średnica Ziemi, a ile średnica Jowisza, jeśli średnica Księżyca to 1 px. Oblicz (też w pikselach) odległość od Księżyca do Ziemi i od Ziemi do Słońca.

Rozwiązanie:

Zapisujemy dane:

średnica Księżyca – 3474,8 km
średnica Ziemi – 12742 km
średnica Jowisza – 139820 km
odległość Ziemia–Księżyc – 384400 km
odległość Ziemia–Słońce – 149597871 km

Układamy proporcje.

Obliczenie średnicy Ziemi:

1 px3474,8 km x12742 km
x=1 px·12742 km3474,8 km=4 px

Obliczenie średnicy Jowisza:

1 px3474,8 km
x139820 km
x=1 px·139820 km3474,8 km=40 px

Obliczenie odległości Ziemia – Księżyc:

1 px3474,8 km
x384400 km
x=1 px·384400 km3474,8 km=111 px

Obliczanie odległości Ziemia – Słońce:

1 px3474,8 km
x149597871 km
x=1 px·149597871 km3474,8 km=43052 px

Wyniki podajemy jako liczby całkowite, piksele traktujemy jako najmniejsze, a więc i niepodzielne elementy obrazu cyfrowego.

Jak widzimy na powyższym przykładzie, modele Ziemi i Księżyca, jak i wielkości planet można bez problemu przedstawić nawet na małej grafice o niskiej rozdzielczości. Przedstawienie odległości planet od Słońca byłoby już większym problemem. Zakładając, że rozdzielczość monitora to 1920 na 1080 px, aby pokazać w pikselach odległość od Ziemi do Słońca, potrzeba 23 monitorów ustawionych jeden obok drugiego wyświetlających kontynuowany obraz. W druku wielkoformatowym stosuje się niskie rozdzielczości rzędu 30 dpi, grafika o rozmiarze 43052 px mogłaby być wydrukowana jako 30 metrowy obraz. Wielkość Słońca i planet Układu Słonecznego i ich odległość od Słońca przy założeniu, że wielkość Księżyca to 1 px wyglądałyby jak w poniższej tabeli.

Obiekt

odległość od Słońca w km

odległość od Słońca w pikselach

średnica obiektu w km

średnica obiektu w pikselach

Słońce

1392680

401

Merkury

57909170

16665

4879

1

Wenus

108208926

31141

12104

3

Ziemia

149597871

43052

12742

4

Mars

227936637

65597

6779

2

Jowisz

778412027

224016

139820

40

Saturn

1426725413

410592

116464

34

Uran

2870972220

826227

50724

15

Neptun

4498252900

1294536

49244

14

Model Josha WorthaIf the Moon Were Only 1 Pixel” dostępny jest w Internecie.

Aby przebyć drogę od Słońca do Neptuna trzeba bardzo długo przesuwać pikselową przestrzeń kosmiczną.

Księżyc to

1

Zapoznaj się z symulacją, a następnie wykonaj polecenia. Symulacja prezentuje względne rozmiary Księżyca i Ziemi oraz podaje ich wzajemną odległość w modelu, w którym Księżyc wyobrażamy sobie kolejno jako: kulę bilardową, piłkę do tenisa stołowego, ziemnego, siatkówki oraz jako 1 piksel.

RfC5zOlI5AzNP1
Symulacja interaktywna nawiązująca do treści materiału.
Księżyc to
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Zapoznaj się z tabelą, a następnie wykonaj polecenia.

Księżyc to

Księżyc to

odległość Ziemia–Księżyc 

średnica Merkurego 

średnica Wenus 

średnica Ziemi 

średnica Marsa 

Księżyc

kula bilardowa

piłeczka do tenisa stołowego

piłka tenisowa

piłka do siatkówki

jeden piksel

Księżyc to – cd.

Księżyc to

średnica Jowisza 

średnica Saturna 

średnica Urana 

średnica Neptuna 

Księżyc

kula bilardowa

piłeczka do tenisa stołowego

piłka tenisowa

piłka do siatkówki

jeden piksel

Polecenie 1

Boisko do piłki nożnej ma 105 metrów długości. Czy da się na takim boisku zbudować model Układu Słonecznego, z zachowaniem proporcji odległości między planetami, jeśli Księżycem będzie piłka do tenisa? Notatki i obliczenia możesz zapisać w polu poniżej.

Rvvln2ET91wL5
(Uzupełnij).
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Polecenie 2

Boisko do piłki nożnej ma 105 metrów długości. Zaproponuj czym mógłby być Księżyc lub Ziemia, aby model Układu Słonecznego zmieścił się na boisku do piłki nożnej (z pominięciem rozmiaru Słońca). Notatki i obliczenia możesz zapisać w polu poniżej.

Rul9dMpB7EAOk
(Uzupełnij).
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Polecenie 3

Boisko do piłki nożnej ma 105 metrów długości. Jakie wymiary miałyby planety Układu Słonecznego, gdyby Księżyc był wielkości boiska? Notatki i obliczenia możesz zapisać w polu poniżej.

RNHvuxJZ9uWEv
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Sprawdź się

Ra8zpGHQFpCsr
Ćwiczenie 1
Zaznacz prawidłową odpowiedź. Skala 1:25000 oznacza, że Możliwe odpowiedzi: 1. 50 km możemy przedstawić jako 2 m., 2. przedmiot przedstawiony na modelu jest 25000 razy większy niż w rzeczywistości., 3. przedmiot przedstawiony na modelu jest 25 razy mniejszy niż w rzeczywistości., 4. 25 m możemy przedstawić jako 1 m.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Ćwiczenie 2

Zapisz w notacji wykładniczej:

  • 17500 m,

  • 6400000 m,

  • 150000000 m,

  • 0,000064 m

Obliczenia i odpowiedź zapisz w polu poniżej.

RHPZ4aMQEjU4u
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RFoXgncBhhPgz
Ćwiczenie 3
Wskaż trzy zdania prawdziwe. Możliwe odpowiedzi: 1. Parsek ma więcej kilometrów niż jednostka astronomiczna., 2. Rok świetlny to odległość jaką światło przebywa w ciągu roku., 3. Promień orbity Neptuna jest około 30 razy większy niż Ziemi., 4. Odległość Ziemia - Księżyc to 1 au.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RpPLv1qTbaESs
Ćwiczenie 4
Ułóż w kolejności od najmniejszej do największej: Elementy do uszeregowania: 1. elektron, 2. Księżyc, 3. Słońce, 4. meteoryt Hoba, 5. Boeing 737, 6. żyrafa, 7. atom sodu, 8. mysz domowa, 9. Ziemia
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Ćwiczenie 5

Jaki jest stosunek wielkości człowieka o wysokości 1,8m, do przedstawionego na obrazku obiektu? Obliczenia i odpowiedź zapisz w polu poniżej.

R1enrihGFEbk3
Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com / www.pexels.com, licencja: CC BY-SA 3.0.
R1B9hQvACPaSw
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
1
R1dioRK3RROmE1
Ćwiczenie 6
Na poniższym modelu Układu Słonecznego, przeciągnij i upuść odległości między Słońcem a wskazanymi planetami w skali 1:150000000.
Źródło: edycja: GroMar Sp. z o.o., dostępny w internecie: https://pixabay.com/, licencja: CC BY 3.0.
R12tdw59fq11c
Ćwiczenie 6
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R28Gm0idpFnEr
Ćwiczenie 7
Zaznacz prawidłowe odpowiedzi.
Tydzień świetlny, to odległość jaką przebywa światło w ciągu: Możliwe odpowiedzi: 1. dekady, 2. 7 dni, 3. 152 roku, 4. 12 miesiąca
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R14Sxu0fcbVNf
Ćwiczenie 8
Ilustracja
Źródło: dostępny w internecie: Wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.
R1Jcb8HpVl7ZQ
Ćwiczenie 8
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Słownik

jednostka astronomiczna
jednostka astronomiczna

() równa średniej odległości między Ziemią a Słońcem, przyjęta jako ; jest najwygodniejszą jednostką w Układzie Słonecznym.

parsek
parsek

(, skrót od wyrażenia paralaksa sekundowa) – dla gwiazdy odległej o 1 parsek, kąt paralaksy heliocentrycznej wynosi jedną sekundę kątową; jednostki tej używają głównie astronomowie, aby wyrazić odległość do gwiazd i innych odległych obiektów astronomicznych.

piksel
piksel

(, od ang. pixel) – pojedynczy, najmniejszy, niepodzielny element obrazu cyfrowego (punkt na ekranie monitora).

rok świetlny
rok świetlny

() odległość, jaką światło przebywa w próżni w ciągu jednego roku; jeżeli wyrażamy odległości w latach świetlnych, wiemy jednocześnie, ile lat wcześniej zdarzyło się to, co obecnie obserwujemy.

Bibliografia

Sagnowska B., Szot‑Gawlik D., Godlewska M., Rozenbajgier M., Rozenbajgier R., 2017, Świat fizyki, Warszawa, WSiP

bg‑gray2

Notatki

R1E2ILxZivIQw
(Uzupełnij).
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.