Законы физики, управляющие Вселенной, действуют как на Земле, так и в космосе. Однако из-за различий в гравитации, атмосферном давлении и других факторов эти законы проявляются по-разному в этих средах.
Начнём с рассмотрения одной из фундаментальных сил вселенной - гравитации.
ГРАВИТАЦИЯ
Гравитация на Земле и в космосе имеет различия из-за различных масс и расстояний до объектов. На нашей планете гравитация обеспечивает удержание всех объектов на поверхности планеты и влияет на их движение. Гравитационное поле Земли создаётся её массой и притягивает все объекты к центру планеты, так происходит и с другими космическими объектами.
Сила тяжести на планете Земля – 9.8 м/с2.
В космосе, вдали от массивных объектов, гравитация может быть ничтожно мала и зависит от того, насколько близко друг к другу находятся разные объекты. Грубо говоря, она отсутствует во многих местах, таких как точка Лагранжа. Именно поэтому, выходя в открытый космос, астронавты находятся в невесомости, ведь они не ощущают никакого притяжения.
Гравитация на поверхности Луны или Марса будет отличаться от земной из-за различий в массе и размере этих объектов.
Сила тяжести на Луне - 1,62 м/с2, а, например на Нептуне – 11,15.
Это говорит о том, что на Луне мы станем более легкими и сможем, к примеру, выше прыгать, ведь она притягивает объекты с меньшей силой, а на Нептуне всё происходит в точности наоборот.
О гравитации, её истинной природе и влиянии на материю можно говорить очень много, но мы перейдем к более понятной темой, о которой многие слышат почти ежедневно.
АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ
- это сила, с которой воздух давит на земную поверхность и на все находящиеся на ней предметы.
- Рассмотрим влияние атмосферного давления на Землю:
1) Климатические условия. Атмосферное давление является ключевым фактором формирования климата, оно влияет на температуру, влажность воздуха, скорость ветра и другие погодные явления.
2) Атмосферное давление влияет на распределение воды в водоёмах. Высокое давление приводит к подъему уровня воды, а низкое – к его спаду.
3) Влияние на живые организмы: высокое атмосферное давление может оказывать отрицательное влияние на организм человека и животных. На большой высоте давление снижается, что может вызывать проблемы с дыханием, кровообращением и пищеварением у людей и животных.
- Влияние атмосферного давления в космосе:
В космосе отсутствует атмосфера, поэтому давление там очень низкое или практически равно нулю. Это создаёт особенные условия для создания и работы космических аппаратов и спутников.
1) Влияние на космические миссии: при пуске ракеты в космос необходимо учесть атмосферное давление. Оно оказывает сопротивление движению ракеты, вызывает трение и теплообразование, что может влиять на траекторию полета.
Таким образом, атмосферное давление оказывает важное влияние на процессы, происходящие на Земле и в космосе, включая климатические условия, распределение воды, жизнедеятельность живых организмов, создание и работу космических аппаратов.
Не будем далеко уходить. Какие ещё влияющие на повседневную жизнь законы действуют по-другому за пределами нашей планеты?
ЗАКОН ПАСКАЛЯ
Закон Паскаля звучит так: в жидкостях и газах давление передается во все стороны равномерно.
Сравнение выполнения этого закона на Земле и в космосе может быть следущим:
1. Несмотря на звучание закона, капля воды на Земле немного сплющена из-за гравитации. В космосе же, в отсутствии гравитации, капля идеально круглая.
Несмотря на выполнение одного и того же закона, капля воды и других жидкостей в космосе и на Земле будет иметь разную форму.
2.В космических условиях отсутсвует атмосфера и поэтому применяемые силы могут влиять только на сам объект или его ближайшую окружающую среду. Однако, как на Земле, так и в космосе, взяв наполненную воздухом пластиковую бутылку и начав её сильно сжимать, спустя какое-то время крышка за счёт выполнения закона Паскаля "выстрелит" из бутылки, так как давление на крышку будет слишком сильно.
Таким образом, в основе выполнения закона Паскаля лежит наличие вещества, жидкости или газа. В земных условиях давление распространяется во все направления, а в космосе - только внутри среды.
Рассмотрим ещё несколько отличающихся явлений.
Звуковые явления.
На земле, в воздухе, звук распространятся, а в космосе – нет. Это происходит из-за того, что звук – это колебания воздуха, как работа струн, а в космосе нет никакого воздуха, так что там фактически нечему колебаться и звук там не распространяется.
Конвекционные потоки.
Конвекционные потоки, если говорить простыми словами, это процесс передачи энергии или массы вещества внутри среды. Это вид теплообмена,при котором энергия перемещается и распространяется потоками вещества или среды.
Примером таких потоков может быть горение свечи, ветер, перепады температур.
В твердых телах и вакууме конвекционных потоков не существует, соответственно, их нет в космосе, в то время как они присутствуют на планете Земля. Это не значит, что свеча в космосе гореть не будет, это было даже проверено экспериментально – в невесомости свеча горит иначе, она имеет не привычную для нас вытянутую форму, а сферическую.
Относительность времени.
На Земле и в космосе течение времени происходит по-разному. Гравитация искажает время – согласно теории относительности Энштейна, близко к массивному объекту время замедляется, так что в космосе время идет быстрее, чем на Земле. Это также было проверено экспериментально с точнейшими атомными часами. Что интересно, GPS навигаторы учитывают относительность времени для того, чтобы не было погрешности в координатах и на карте. Время течет немного медленнее на поверхности Земли, чем на большой высоте. На гравитацию некоторых планет могут влиять другие объекты – массивные черные дыры, которые сильно замедляют время, этот эффект наглядно показан в научно-популярном фильме «Интерстеллар».
СРАВНЕНИЕ С ДРУГИМИ ПЛАНЕТАМИ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
На самом деле, законы физики, такие как законы Ньютона или законы сохранения энергии и импульса, действуют одинаково как на Земле, так и на других планетах Солнечной Системы и других объектах. Однако, из-за различий в массе и размере планет, гравитационных сил и атмосферных условий, применение этих законов может привести к различным явлениям и результатам на разных планетах.
1.Сила тяжести.
Сила тяжести на разных космических объектах будет разная, ведь она зависит от массы. На Солнце она будет гораздо сильнее, чем на нашей планете, а гравитация черной дыры настолько сильна, что притягивает даже свет. Помимо этого, из-за менее плотной атмосферы на некоторых планетах, таких как Марс, поведение объектов и движение может отличаться от того, что мы наблюдаем на Земле.
2.Распространение звука.
Звук на Луне, как и на многих других небесных телах, не распространяется. Это происходит из-за того, что звук распространяется с помощью колебаний частиц в среде, а так как на Луне нет атмосферы, колебаться там нечему и звук не распространяется.
3. Температура.
Температуры на разных планетах значительно различаются из-за различных атмосфер, состава поверхности, удаленности от звезды и других факторов. Для сравнения рассмотрим краткую характеристику земного климата и климата Венеры.
Земля: средняя температура на поверхности Земли составляет около 12 градусов Цельсия. Однако температуры сильно варьируют в зависимости от положения и времени года. Максимальная зафиксированная на Земле температура – +56,7 градусов, США, а минимальная - -93 градусов, Антарктида.
Венера: Венера имеет очень плотную атмосферу, состоящую в основном из углекислого газа, что приводит к очень высоким температурам на поверхности (около 460 градусов по Цельсию), делая её самой горячей планетой Солнечной Системы. Эта температура достаточна для того, чтобы расплавить свинец!
ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКОНОВ ФИЗИКИ В КОСМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЯХ.
1.Законы Ньютона:
Первый закон (закон инерции): используется при планировании траекторий космических аппаратов, учитывая, что в отсутствие внешних сил аппарат будет сохранять свою скорость и направление.
Второй закон (сила прямо пропорциональна ускорению и обратно пропорциональна массе): основа для расчёта тяги ракетных двигателей, необходимой для достижения требуемого ускорения космических аппаратов.
Третий закон (действие равно противодействию): принцип работы ракетных двигателей, где выброс газов назад приводит к движению ракеты вперёд.
2.Законы Кеплера:
Первый закон (каждая планета Солнечной Системы вращается вокруг Солнца по Эллипсу): используется для расчёта орбит спутников и межпланетных космических аппаратов.
Третий закон (квадрат периода обращения пропорционален кубу большой полуоси орбиты): применяется для определения периода обращения и расстояния до объекта орбитального вращения.
3.Закон всемирного тяготения Ньютона:
-Два любых тела притягиваются друг к другу силой, прямо пропорциональной массе каждого из них и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Основа для расчёта гравитационного взаимодействия между космическими объектами, определения силы тяжести на разных планетах и необходимой скорости для выхода на орбиту или покидания гравитационного поля планеты.
4.Теория относительности Эйнштейна:
Общая теория относительности: применяется для предсказания поведения объектов в сильных гравитационных полях и корректировки траекторий космических аппаратов вблизи массивных тел, помогает понять, как время замедляется с изменением гравитации, что важно для точной работы спутникового GPS.
5.Термодинамика:
Используется для управления тепловыми процессами в космических аппаратах, включая охлаждение и нагрев, что критически важно для функционирования электроники и жизнеобеспечения.
6.Электромагнетизм:
Применяется в связи, навигации и создании магнитных полей для защиты космических аппаратов от космического излучения.
Это лишь некоторые примеры, демонстрирующие, как фундаментальные законы физики применяются в космических технологиях.
ВЫВОД
Хотя некоторые законы физики действуют как на Земле, так и в космосе, их проявления могут сильно отличаться из-за различий в гравитации, наличии атмосферы, состава воздуха и других факторах. Эти различия имеют решающее значение для понимания поведения объектов в разных средах и проектировании технологий, функционирующих как на Земле, так и в космосе.
