Наука о Земле и космосе

Учителя — Нам нужны ваши отзывы! Этот бесплатный онлайн-учебник является экспериментальным проектом (см. «Об этом проекте»), и нам нужно услышать от вас, считаете ли вы, что продолжение проекта стоит нашего времени и затрат. Пожалуйста, расскажите нам, что вы думаете об этом, как это работает с вашими учениками, считаете ли вы, что стоит продолжать, и если да, то что мы можем сделать, чтобы улучшить его. Вы можете отправить любой отзыв по электронной почте непосредственно ведущему автору Джеффу Беннетту, jeff@bigkidscience.com. Примечание. Этот проект финансируется ведущим автором. Таким образом, ваши покупки книг доктора Беннета на сайте Big Kid Science помогают поддержать этот проект.

3.4.3 Почему гравитация делает планеты круглыми?

Теперь обратимся к третьему пункту в нашем списке с начала этого раздела из шести ключевых вещей, которые делает гравитация:

Гравитация делает Землю и другие планеты круглыми.

Общую причину этого довольно легко понять: гравитация всегда притягивает к центру, а силы, притягивающие к центру, имеют тенденцию делать объекты сферическими, если на их пути нет ничего другого (рис. 3.28).

Эту тенденцию особенно легко увидеть, наблюдая мыльные пузыри или капли воды в космосе (рис. 3.29). Как и в случае с гравитацией, силы, удерживающие эти пузырьки и капли вместе, создают внутреннее притяжение, одинаковое во всех направлениях. Поэтому, пока на них не действуют другие силы, пузырьки и капли стремятся иметь сферическую форму.

Я размышлял.

Какие силы делают пузыри и капли круглыми?

Рисунок 3.29 (в) — Это видео показывает, как астронавт Скотт Келли экспериментирует с каплей воды — в некоторых случаях с введенными в нее красителями — на Международной космической станции. Обратите внимание: хотя прикосновение к каплям может вызвать их дрожь, они принимают сферическую форму, когда оседают. Кредит: НАСА.

Конечно, иногда есть находятся задействованы другие силы, поэтому тенденция стать сферическим не всегда означает, что объект быть сферический.Вы можете увидеть это с мыльными пузырями и каплями воды в том, как они иногда двигаются и искажаются от сферической формы. Для Солнечной системы мы находим четкую закономерность, связанную с размерами объектов (рис. 3.30):

• Небольшие тела, такие как астероиды и кометы, обычно не имеют круглой формы. Они могут иметь практически любую форму, быть продолговатыми или даже в форме картофеля.
• Более крупные тела, включая все планеты и Солнце, обычно имеют круглую (сферическую) форму.

Как вы думаете, почему это так? Подумайте об этом и, возможно, попробуйте следующее упражнение, прежде чем читать дальше.

Мероприятия

Мяч с резинкой

• много резинок
• по крайней мере, один маленький круглый предмет (например, мрамор) и один маленький предмет в форме куба (например, шестигранный кубик), которые служат «семянами» для запуска мяча.

1. Используя отдельные резинки, растягивайте их по-разному и наблюдайте, как они действуют. В каком направлении направлены эти «силы растяжения»? Чем это похоже на то, как притягивает сила гравитации?
2. Сделайте шарик из резиновой ленты вокруг своего сферического семени. Что происходит с формой шара, когда он становится больше?
3. Теперь сделайте шарик из резинки вокруг вашего семени в форме куба; убедитесь, что вы добавили резинки во всех направлениях (то есть, не пытайтесь умышленно выровнять их по граням кубиков). Что происходит с формой шара по мере его увеличения в этом случае?
4. Рассмотрим следующее утверждение: «Если вы сделаете шарик из резиновой ленты достаточно большим, он будет иметь сферическую форму независимо от того, объект какой формы вы начнете использовать в качестве затравки». Подтвердите или опровергните это утверждение доказательствами и аргументами.
5. Свяжите свои выводы с объектами разных размеров в Солнечной системе, как показано на рис. 3.29.

Это задание предназначено для того, чтобы помочь учащимся понять, как центральные силы, такие как гравитация, делают планеты круглыми. Учащиеся делают шарики из резинок вокруг сферических и кубических семян. Они увидят, что даже если «шар» маленький, он все равно будет в целом кубическим вокруг кубического семени.Однако по мере того, как шарик становится больше, он будет иметь круглую форму независимо от формы семени. Примечание. Это задание может занять немного времени, поэтому вы можете помочь учащимся начать его в классе, а затем собрать шарики из резинок дома. В качестве альтернативы, это достаточно просто, чтобы вы могли сделать это в качестве «мысленного эксперимента», а не тратить время на его завершение. Примечания к отдельным шагам:

1. Цель здесь состоит в том, чтобы учащиеся осознали, что силы в натянутой резиновой ленте притягиваются к точке в центре резиновой ленты. Это легче всего увидеть, если он растянут в круглую форму вокруг всех пальцев ваших двух открытых рук, поскольку вы можете почувствовать, как он стягивает пальцы вместе к центру. В этом смысле силы подобны силе тяжести, которая также притягивает к центру.
2. Мяч должен начинаться со сферической формы из-за сферического семени и оставаться сферической по мере того, как он становится больше.
3. «Мяч» будет иметь форму куба, если вокруг него будет натянуто всего несколько резинок. Но по мере того, как он становится больше, ученики замечают, что мяч начинает выглядеть более круглым. Примечание. Как указано в инструкциях, важно, чтобы так же, как гравитация действует во всех направлениях, резинки добавлялись во всех случайных направлениях. В противном случае учащиеся могли бы сориентировать их таким образом, чтобы сохранить основную кубическую форму.
4. Утверждение верно. Студенты должны понимать, что по мере того, как мяч становится больше, центральные тянущие силы резиновых лент становятся доминирующими, делая большой резиновый мяч сферическим, независимо от того, с какой формы семя вы начинаете.
5. Маленькие объекты могут начинаться практически с любого размера, но по мере того, как они становятся больше, центральная притягивающая сила гравитации стремится сделать их сферическими.

Размер и форма

Ключом к пониманию закономерностей размеров и форм в нашей Солнечной системе является размышление о силах, которые могут противодействовать стремлению гравитации делать объекты круглыми. Сила этих сил зависит прежде всего от фаза — твердое, жидкое или газообразное — материала объекта.

Начнем с Солнца, которое, по сути, представляет собой гигантский шар из очень горячего газа. Поскольку газ имеет тенденцию двигаться свободно, он не сопротивляется силе гравитации, которая пытается придать ему форму сферы. Именно поэтому Солнце, как и другие звезды, имеет сферическую форму.

Теперь рассмотрим самые большие планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Хотя их иногда называют «газовыми гигантами», недра этих планет в основном жидкие (газом являются только их внешние слои). Жидкость также легко течет, поэтому эти планеты также легко принимают форму сфер под действием гравитации.

Я размышлял.

Если самые большие планеты в основном жидкие, почему их иногда называют «газовыми гигантами»?

На другом конце спектра размеров также легко понять форму небольших объектов, таких как астероиды и кометы. Эти объекты состоят в основном из твердой породы или твердого льда, оба из которых могут сопротивляться сжатию под действием силы тяжести. Поскольку их небольшие размеры означают, что их гравитация относительно слаба, твердое сопротивление может успешно противодействовать стремлению гравитации делать объекты сферическими. Вот почему эти объекты могут иметь почти любую случайную «картофельную форму».

Наиболее сложными для понимания случаями являются твердые, но круглые объекты. Эти объекты включают Землю и другие внутренние планеты, несколько больших лун (включая нашу Луну) и так называемые карликовые планеты включая Цереру и Плутон. Учитывая, что твердый материал может сопротивляться гравитации, а эти миры состоят в основном из твердой породы или твердого льда, как эти миры оказались круглыми?

В ответе участвовали два ключевых процесса.

1. Многие из этих миров, включая Землю, на ранних стадиях своего формирования стали настолько горячими, что даже скалы плавились, становясь расплавленными (жидкими). За это время гравитация смогла довольно легко превратить расплавленный материал в сферы.
   ⇒ Примечание. Как вы узнаете из главы 4, аналогичная идея объясняет, как планеты, подобные Земле, оказались с плотными ядрами и более низкой плотностью мантии и коры: в то время, когда их недра были расплавлены, более плотный материал опустился к центру, а материал с более низкой плотностью поднялся вверх.
2. Для миров, которые никогда не нагревались настолько, чтобы плавиться, гравитация все еще может формировать их в сферы, если они достаточно велики и прошло достаточно времени. На самом деле расчеты показывают, что гравитация заставит любой каменный или ледяной объект размером более 500 километров в поперечнике стать сферическим в течение примерно 1 миллиарда лет. Поскольку наша Солнечная система намного старше этого (около 4,5 миллиардов лет), практически все объекты этого размера и больше в Солнечной системе имеют круглую форму.

Что касается второго процесса, описанного выше, вы можете задаться вопросом, как гравитация может преодолеть сопротивление твердой породы. Несколько неожиданный ответ заключается в том, что, хотя мы часто думаем о камне как о предельной прочности («твердый, как камень»), в течение длительного периода времени твердый камень может течь так же, как жидкость. Этот тип твердого «потока горных пород» обычно проявляется через тысячи или миллионы лет, но иногда вы можете найти камни, которые явно текли в прошлом. Обратите внимание, например, на «плавную» форму слоев породы, показанную на рис. 3.31. Тот факт, что камень может течь, означает, что при достаточно сильной гравитации и достаточном времени даже миры, которые всегда были твердыми, в конечном итоге приобретут сферическую форму. В следующих главах вы увидите, что этот тип «твердого потока» был очень важен для геологической истории Земли.

Вот краткое изложение основной идеи паттерна форм в нашей Солнечной системе:

• Небольшие объекты, как и большинство астероидов и комет, имеют относительно слабую гравитацию. Следовательно, даже если гравитация притягивает к их центрам, она недостаточно сильна, чтобы изменить формы, которые они образовали. Именно поэтому они могут иметь практически любую «картофельную форму» (рис. 3.32а).
• Более крупные объекты имеют более сильную гравитацию, которая формирует из них сферы. Это происходит быстро для газообразных (например, Солнце) или жидких объектов (например, самых больших планет или меньших планет в расплавленном состоянии), но в конечном итоге это произойдет даже для твердых объектов, диаметр которых превышает 500 километров (рис. 3.32). б).

Претензия-Доказательства-Обсуждение Обсуждение

Кубические планеты?

Представьте, что вы обсуждаете с другом возможность жизни в других солнечных системах. Ваш друг предполагает возможность кубической планеты, вращающейся вокруг другой звезды. Напишите ответ своему другу, используя доказательства и аргументы в поддержку или опровержение следующего утверждения:

Заявка на тестирование: Вокруг других звезд могут вращаться планеты кубической формы.

Это утверждение неразумно, потому что, как мы уже обсуждали, объекты, достаточно большие, чтобы их можно было считать «планетами», всегда будут иметь сферическую, а не кубическую форму. Возможно, будет полезно напомнить вашим ученикам, что гравитация работает одинаково во всей Вселенной, то есть она будет действовать на любую планету или звездное тело так же, как и в нашей Солнечной системе. Поскольку гравитация всегда является внутренней притягивающей силой, направленной к одному центру, это означает, что все тела (достаточной массы/размера) приобретут сферическую форму. Более того, если планета в форме куба каким-то образом сформировалась, она тоже в конечном итоге выровняется до сферической формы, если будет достаточно времени. Углы куба в конечном итоге будут втягиваться внутрь, пока гравитация не станет воздействовать с равной силой на всю поверхность когда-то кубической планеты.

Вау-фактор

Самый продолжительный лабораторный эксперимент из когда-либо проводившихся.

Экваториальное выпячивание

Сама по себе гравитация сделала бы большие объекты идеально круглыми. Однако объекты в космосе, как правило, вращаются, и, как вы знаете из того, что вы чувствуете, катаясь на карусели, вращение имеет тенденцию отбрасывать материал наружу. Что касается планет, то вращение имеет тенденцию выбрасывать материал наружу вблизи их экватора (рис. 3.33а).В результате вращающиеся планеты, как правило, имеют экваториальная выпуклость.

Величина экваториальной выпуклости зависит как от силы гравитации, так и от скорости вращения: более сильная гравитация делает выпуклость менее заметной, а более быстрое вращение делает ее более заметной. В нашей Солнечной системе наиболее крайний случай экваториальной выпуклости наблюдается у Сатурна, который имеет форму, заметно «сплющенную» на полюсах по сравнению с идеальной сферой (рис. 3.33b).

Для Земли экваториальная выпуклость настолько мала, что из космоса наша планета выглядит почти идеально круглой. Тем не менее, выпуклость поддается измерению: диаметр Земли на экваторе примерно на 43 километра больше (экваториальный диаметр = 12 756 км), чем у полюсов (полярный диаметр = 12 713 км).