Кінематика космічних рухів
Ми бачили, що для опису руху точки необхідно вимірювати довжину шляху, пройденого точкою за її траєкторії, і “прив’язувати” кожне положення точки на траєкторії до відповідного моменту часу. При вивченні руху космічного корабля і взагалі космічних тіл – планет, Місяця, зірок – не може бути, звичайно, мови про безпосередній розмітці траєкторії. Єдиний спосіб вимірювання відстані до космічного корабля (і взагалі визначення його положення) – це передача сигналів, які можуть поширюватися в космічному просторі, т. Е. Світлових сигналів і радіосигналів. Наприклад, можна спостерігати космічний корабель або планету в телескоп, або виробляти радіолокаційні спостереження планет, або приймати сигнали, передані космічним кораблем.
Власне кажучи, в цьому немає нічого принципово нового в порівнянні зі спостереженням рухів предметів на Землі. На Землі ми також користуємося світловими сигналами (спостереження рухомого тіла простим оком, фотографування) і радіосигналами (радіолокація.) Але між спостереженнями в межах земних відстані і спостереженнями на величезних дистанціях в космосі є важлива кількісна різниця, Справді, так як кожен сигнал вимагає певного часу для свого поширення від рухомого тіла до спостерігача, то в той момент, коли ми виробляємо спостереження рухомого тіла, воно виявляється вже в іншому місці: спостереження події запізнюється по відношенню до моменту, коли подія відбулася, на час пробігу сигналу від рухомого тіла до спостерігачеві.
Правда, швидкість світла і радіосигналів настільки велика, що це зміщення тіла за час запізнювання приходу сигналу буде невелика в порівнянні з відстанню до тіла. Наприклад, якби можна було бачити кулю, що летить зі швидкістю 800 м / сек на відстані 1 км, то без урахування того, що світло, що приходить від кулі, запізниться, ми помилимося в положенні кулі приблизно на 3 мм. Але в космічному просторі тіла можуть видалятися на дуже великі відстані, і тому ця помилка може сильно зрости. Наприклад, для космічного корабля, удаляющегося від Землі з тією ж швидкістю 800 м / сек і досяг орбіти Юпітера (при найбільшому зближенні Землі і Юпітера), помилка, викликана неврахуванням часу пробігу світлового або радіосигналу, досягне вже 1700 км! Таким чином, при великих відстанях нехтувати часом пробігу сигналу вже не можна; наприклад, якщо потрібно передати на космічний корабель яку-небудь команду (наприклад, включити двигуни) в той момент, коли корабель займає певне положення щодо небесних тіл, то команда повинна бути послана з попередженням, рівним часу запізнювання сигналу. Крім того, звичайно, має бути враховано такий же час запізнювання і при визначенні самого положення космічного корабля. Для наведеного прикладу з кораблем, що досягає орбіти Юпітера, запізнювання сигналу і необхідну випередження мали б рівнятися 2100 сек. Ясно, що запізнювання буде тим більше, чим далі від Землі знаходиться космічний корабель; наприклад, при досягненні орбіти Плутона необхідну випередження склало б уже 20 000 сек, а помилка в обумовленому положенні при неврахуванні запізнювання сигналу досягла б 16 000 км.
На Землі вимір часу запізнювання радіосигналу при проходженні великої відстані використовують при радіолокації. Радіолокатор посилає потужний радіосигнал в напрямку, де очікується поява мети. Метою може бути літак, ракета, дощова хмара, слід метеора в атмосфері – взагалі всяке тіло, здатне відображати радіосигнал. Відбитий від тіла сигнал вловлюється приймачем радіолокатора; спеціальний пристрій вимірює час, що минув між посилкою сигналу і його прийомом. Так як сигналом довелося пройти відстань від локатора до мети двічі, то, очевидно, відстань до цілі дорівнює половині виміряного проміжку часу між посилкою сигналу і його прийомом, помноженої на швидкість радіосигналу. Момент локації, т. Е. Момент відображення сигналу від цілі, – це полусумма моментів посилки і прийому сигналів.
До моменту прийому сигналу локатором мета встигне зрушити (від моменту потрапляння сигналу на ціль) на відстань, рівну дистанції до мети, помноженої на відношення швидкості цілі до швидкості радіосигналу. Наприклад, при локації з відстані 1000 км літака, що летить зі швидкістю 2000 км / год, літак зрушиться приблизно на 2 м.
Вперше швидкість світла була виміряна в космосі; при цьому було використано описане вище явище запізнювання світлового сигналу, що приходить з великої відстані, щодо моменту виходу сигналу. В кінці XVII століття датський вчений Олаф Ремер, спостерігаючи затемнення супутника планети Юпітер, що потрапляє при кожному зверненні навколо планети в її тінь, зауважив, що в той час, коли Земля в своєму річному русі навколо Сонця наближається до Юпітера, проміжки часу між затемненнями зменшуються по порівняно з часом, коли Земля віддаляється від Юпітера. Він пояснив це розходження тим, що при наближенні Землі до Юпітера запізнювання, з яким ми спостерігаємо події, що відбуваються поблизу Юпітера (затемнення супутника), зменшується, а при видаленні – збільшується. Сумарне відмінність у запізненні повинна дорівнювати часу, який світло витрачає на проходження діаметра земної орбіти. Швидкість світла дорівнює, таким чином, діаметру земної орбіти, розділеному на найбільше розходження в запізненні спостереження затемнень.
Зі сказаного випливає, що при “прив’язці” спостережуваних положень космічного корабля (або іншого небесного тіла) до відповідних моментам часу слід відносити до спостережуваного (наприклад, в телескоп) становищем не момент спостереження, а більш ранній – на величину запізнювання сигналу. Звідси ясно, яку важливу роль відіграє швидкість поширення світла або радіохвиль при вивченні рухів космічних об’єктів: космічних кораблів, планет, комет, зірок і т. Д. Чим далі об’єкт, тим важливіше врахувати час поширення світла. Ми бачимо далекі зірки не в тому положенні, в якому вони знаходяться сьогодні, а в тому, в якому вони перебували роки, тисячі і мільйони років тому. З іншого боку, для “земних” рухів запізнювання мало: навіть на пробіг навколо земного екватора світло витратив би тільки 0,13 сек.
Є і на Землі такі рухи, для яких потрібно враховувати час пробігу світла при “прив’язці” положень тіла до моментів часу: це – руху, за швидкістю порівнянні зі світловим сигналом. “Елементарні частинки” можуть володіти швидкостями, вельми близькими до швидкості світла. Для визначення положення таких частинок облік часу пробігу світлового сигналу, звичайно, необхідний, так як вони навіть за малий час встигають зміститися дуже сильно. “Звичайні” ж тіла – літаки, ракети, снаряди, якщо говорити про найшвидших великих тілах, – рухаються настільки повільно порівняно зі світловим сигналом, що для них поправка залишається малою, поки відстані малі.
(2 votes, average: 5.00 out of 5)