Jak szybko poruszamy się w kosmosie?

O ruchu dowolnego ciała możemy mówić, obierając jakiś układ odniesienia. Jednak, zgodnie z teorią względności, uniwersalny układ odniesienia nie istnieje. Oznacza to, że jeśli siedzimy w miejscu, to możemy być w spoczynku, jak i się poruszać, w zależności od tego, jaki układ odniesienia wybierzemy. W stosunku do podłogi czy ściany jesteśmy w spoczynku, ale w tym samym czasie pędzimy z całą planetą wokół Słońca.

W tym materiale przypomnimy informacje o względności ruchu oraz ruchu krzywoliniowym, dokonując analizy prędkości, z jaką poruszamy się w kosmosie.

Ruch i spoczynek są pojęciami względnymi, poruszamy się względem wybranych układów odniesienia, a jednocześnie pozostajemy w spoczynku względem innych. Nazywa się to względnością ruchu. Kiedy czytasz ten tekst, prawdopodobnie siedzisz wygodnie, oznaczałoby to, że pozostajesz w spoczynku, ale czy na pewno? Wprawdzie nie wykonujesz ruchu względem Ziemi, ale Ziemia obraca się wokół własnej osi, wykonując ruch obrotowy z prędkością prawie $1700 \frac{\mathrm{km}}{\mathrm{h}}$ dla kogoś znajdującego się na równiku. Ruch obrotowy można łatwo zaobserwować przez ruch pozorny gwiazd z użyciem aparatu fotograficznego lub telefonu.

R2A8ZqEFxDLS2

Zdjęcie gór na tle nocnego nieba. Gwiazdy sprawiają wrażenie wirowania po okręgach, wokół wspólnego środka.

Ruch obrotowy będziemy opisywać jako rodzaj ruchu krzywoliniowego, a dokładniej – ruch punktu materialnego znajdującego się na kuli ziemskiej, jako ruch po okręgu. W ruchu takim wyróżniamy prędkość kątowąprędkość kątowaprędkość kątową $\omega$ – definiowaną jako miara kąta zakreślonego w jednostce czasu i prędkość liniowąprędkość liniowaprędkość liniową $v$ – definiowaną jako droga przebyta w jednostce czasu. Dla toru będącego pełnym okręgiem wyrażane są one wzorami:

gdzie:
$T$ jest okresem obrotu/obiegu, a $R$ promieniem okręgu.

Okres obrotu to tzw. doba gwiazdowa, wynosząca prawie $24$ godziny. Zgodnie ze wzorem, prędkość kątowa zależy tylko od okresu obrotu, który dla Ziemi wynosi zawsze tyle samo, nieważne w którym miejscu się znajdujemy. Prędkość liniowa jednak będzie się zmieniać w zależności od szerokości geograficznej – zależy ona także od promienia okręgu, po którym się porusza, czyli odległości puntu na Ziemi do osi obrotu.

R15zI66GJotoN

Kula ziemska z zaznaczoną wodą i lądami. Przez środek kuli, pionowo, biegnie linia przerywana. Na górze kuli, nad biegunem północnym umieszczono wektor prędkości kątowej wokół przerywanej pionowej linii. W miejscu tym prędkość liniowa jest równa zeru. Na kuli ziemskiej zaznaczono również trzy równoleżniki: równik, na którym prędkość liniowa wynosi tysiąc siedemset kilometrów na godzinę, równoleżnik przebiegający przez północną część Afryki i południową Stanów Zjednoczonych, na którym prędkość liniowa wynosi tysiąc trzysta kilometrów na godzinę i równoleżnik przebiegający przez północną Europę i południe Kanady, na którym prędkość liniowa wynosi osiemset kilometrów na godzinę.

Nie jest to duża prędkość, porównując ją z innymi, jakie osiąga nasza planeta, nasz układ planet czy Galaktyka. Ziemia (a my razem z nią) wykonuje ruch obiegowy wokół Słońca po swojej orbicie. Jest to także rodzaj ruchu krzywoliniowego – z innym okresem obiegu $T$ i promieniem okręgu $R$ (załóżmy, że orbita jest okręgiem). Odległość Ziemi od Słońca waha się od około $147$ do $152$ milionów kilometrów. Okres obiegu to około $365$ dni.

RCAjON5nfGwnA

Ilustracja przedstawia orbitę eliptyczną Ziemi wokół Słońca, które znajduje się w jednym z ognisk elipsy. Elipsa jest na tyle mało spłaszczona, że przypomina okrąg, a jej ogniska niemal się pokrywają. Przez środek elipsy, wzdłuż jej półosi, przebiega linia łącząca najdalsze punkty elipsy. Punkty te to: bliższe położenia Słońca peryhelium, oraz dalsze aphelium. Peryhelium znajduje się w odległości około stu czterdziestu siedmiu milionów kilometrów od Słońca, aphelium w odległości około stu pięćdziesięciu dwóch milionów kilometrów od Słońca.

RqQ4lPvKNoYNX

Ciemne niebo usiane drobnymi punktami - gwiazdami. Pośrodku obraz galaktyki: duży, jasny punkt w jej centrum i coraz słabiej zaznaczone, leżące w tej samej płaszczyźnie okręgi wokół.

Aby Ziemia mogła utrzymać się na orbicie, musi się poruszać z prędkością około $108000 \frac{\mathrm{km}}{\mathrm{h}}$ $\left(30000 \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}\right)$. Samo Słońce też nie pozostaje nieruchome. Porusza się ono, dokonując pełnego obiegu centrum Galaktyki raz na około $230-250$ milionów lat ziemskich (tzw. rok galaktyczny). Szacuje się, że prędkość Układu Słonecznego wynosi między $225$ a $250 \frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}}$. Droga Mleczna uczestniczy z kolei w ruchach większych struktur – w tym Grupy Lokalnej Galaktyk, do której należy, oraz gromady galaktyk Virgo – a zatem wszystkie planety, gwiazdy, cała materia pozostaje w ruchu, doświadcza ruchu z powodu siły grawitacyjnej.

Bez względu na to, czy właśnie siedzimy i jesteśmy w spoczynku względem Ziemi, to znajdujemy się w ruchu, tak jak wszystko wokół nas.

Jak szybko poruszamy się w kosmosie?

R5XIo8CqjyO21

Animacja dotycząca prędkości kosmicznych.

Animacja dotycząca prędkości kosmicznych.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R5XIo8CqjyO21

Animacja dotycząca prędkości kosmicznych.

Sprawdź się

Słownik

Bibliografia

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