§ 29. Сила тяжести на других планетах. Физические характеристики планет

планетная система, сформировавшаяся около $4{,}57$ млрд лет назад в результате гравитационного сжатия гигантского газопылевого облака и состоящая из центральной звезды (Солнца) и всех естественных космических объектов, обращающихся вокруг неё под действием сил тяготения.

• 1. Состав планетной семьи — включает 8 больших планет, десятки карликовых планет, сотни спутников, а также пояса астероидов, кометы и метеорные тела.
• 2. Гравитационное удержание — взаимное гравитационное притяжение между Солнцем и планетами удерживает их на эллиптических орбитах; например, сила тяготения между Землей и Солнцем колоссальна и составляет порядка $3 \cdot 10^{22}\ \text{Н}$ ($3 \cdot 10^{19}\ \text{кН}$).

четыре ближайшие к Солнцу планеты (Меркурий, Венера, Земля, Марс), сформировавшиеся из твердых тугоплавких частиц и соединений газопылевого диска.

• 1. Физическое строение — обладают относительно небольшими размерами и массами, высокой средней плотностью вещества и твердой каменной корой (литосферой). Рельеф представлен возвышенными «материковыми» массивами и пониженными «морскими» впадинами (но только на Земле они заполнены жидкой водой).
• 2. Атмосферы и кратеры — Меркурий практически лишен атмосферы, поэтому его поверхность густо усеяна метеоритными кратерами; Венера и Марс обладают газовыми оболочками, состоящими преимущественно из углекислого газа ($\text{CO}_2$).
• 3. Спутники — Меркурий и Венера спутников не имеют вовсе, Земля имеет один крупный естественный спутник (Луну), Марс — два небольших спутника (Фобос и Деймос).

четыре внешние удаленные планеты Солнечной системы (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), сформировавшиеся в холодной зоне первичного облака.

• 1. Масса и состав — характеризуются гигантскими размерами и массами при сравнительно низкой средней плотности; их состав представлен преимущественно водородом и гелием с примесями метана, аммиака, этана и водяных паров.
• 2. Осевое вращение — вращаются вокруг своей оси с огромной скоростью, вследствие чего сутки на них очень короткие (на Юпитере период вращения составляет менее 10 часов).
• 3. Кольца и спутниковые системы — все гиганты обладают системами концентрических колец из ледяных и каменных микрочастиц, а также многочисленными спутниками (у Сатурна открыто свыше 83 спутников).

гравитационная сила притяжения, действующая на тела вблизи поверхности различных небесных тел и зависящая как от массы планеты $M$, так и от её радиуса $R$.

• 1. Физический механизм — ускорение свободного падения на поверхности определяется законом всемирного тяготения:

$$g = G \cdot \frac{M}{R^2}$$

Поэтому сила тяжести зависит не только от того, насколько массивна планета, но и от её геометрического радиуса (расстояния от поверхности до центра).

• 2. Сравнение с Землей — на Меркурии ускорение свободного падения составляет $g \approx 3{,}7\ \text{м}/\text{с}^2$ (сила тяжести и вес тела в $2{,}6$ раза меньше земного); на Юпитере $g \approx 25\ \text{м}/\text{с}^2$ (в $2{,}6$ раза больше земного); на Луне $g \approx 1{,}6\ \text{м}/\text{с}^2$ (сила тяжести в 6 раз меньше, чем на Земле).

совокупность отраслей науки и техники, обеспечивающих исследование и практическое освоение космического пространства и внеземных объектов с помощью пилотируемых и автоматических космических аппаратов.

• 1. Теоретические основы — основоположником теоретической космонавтики и ракетодинамики является выдающийся русский учёный Константин Эдуардович Циолковский ($1857\text{--}1935$), разработавший теорию движения ракет и идею многоступенчатых космических поездов.
• 2. Практическое освоение — практическая реализация связана с трудами главного конструктора Сергея Павловича Королёва: 4 октября 1957 года в СССР был осуществлен исторический запуск первого в мире искусственного спутника Земли (ИСЗ-1), открывший космическую эру человечества.

Выдающийся русский и советский учёный-самоучка, мыслитель и изобретатель, основоположник теоретической космонавтики и ракетодинамики. Разработал математическую теорию реактивного движения, доказав возможность преодоления земного тяготения и осуществления полётов к другим телам Солнечной системы.

• Математически обосновал применение ракетных аппаратов для преодоления земной силы тяжести, выхода в космическое пространство и достижения планет Солнечной системы.
• Заложил основы современной ракетно-космической техники, разработав формулу скорости ракеты и идею многоступенчатых «ракетных поездов» для межпланетных сообщений.
• Его фундаментальные теоретические труды вдохновили плеяду советских конструкторов на создание первых спутников и пилотируемых кораблей для практического исследования космоса.

Выдающийся советский учёный, инженер-конструктор и академик АН СССР, основоположник практической космонавтики и главный конструктор первых ракетно-космических систем. Воплотил идеи Циолковского в реальные космические аппараты, открыв человечеству дорогу к исследованию Луны и планет Солнечной системы.

• В 1934 году опубликовал свой первый фундаментальный научный труд «Ракетный полёт в стратосфере», заложивший практические основы отечественного ракетостроения.
• Под его руководством 4 октября 1957 года был запущен первый в истории человечества искусственный спутник Земли, преодолевший земное притяжение и открывший эру освоения космоса.
• Возглавил разработку первых автоматических межпланетных станций, отправленных для исследования Луны, Венеры и Марса, а также первого пилотируемого космического корабля.

Вокруг Солнца обращается 8 больших планет.

В порядке удаления от Солнца они располагаются следующим образом:

• Меркурий
• Венера
• Земля
• Марс
• Юпитер
• Сатурн
• Уран
• Нептун

Все большие планеты Солнечной системы делятся на две физические группы:

• Планеты земной группы (внутренние планеты):
• Меркурий
• Венера
• Земля
• Марс
• Планеты-гиганты (внешние планеты):
• Юпитер
• Сатурн
• Уран
• Нептун

Спутники удерживаются на своих круговых и эллиптических орбитах вокруг планет силами взаимного гравитационного тяготения (силами всемирного тяготения).

Гравитационная сила притяжения между планетой и спутником сообщает спутнику постоянное центростремительное ускорение, непрерывно искривляя траекторию его полета и удерживая на орбите, препятствуя его улету в открытый космос по касательной к траектории.

Сила всемирного тяготения прямо пропорциональна массе планеты: чем больше масса планеты, тем с большей силой она притягивает к себе окружающие тела и спутники.

Однако действующая непосредственно на поверхности планеты сила тяжести ($F_{\text{тяж}} = mg$) зависит не только от массы, но и от радиуса планеты (расстояния от поверхности до ее центра масс):

$$g = G \cdot \frac{M}{R^2}$$

Иллюстрация правила на примерах Солнечной системы:

• Масса Меркурия составляет всего $0{,}055$ массы Земли, но из-за малого радиуса планеты сила тяжести на нем меньше земной не в 18 раз, а всего в $2{,}6$ раза ($g \approx 3{,}7\ \text{м}/\text{с}^2$).
• Масса Юпитера превышает земную в $317{,}8$ раза, однако из-за колоссального радиуса планеты сила тяжести на верхней границе его облачного слоя превышает земную лишь в $2{,}6$ раза ($g \approx 25\ \text{м}/\text{с}^2$).
• На Луне, масса которой в 81 раз меньше земной, сила тяжести на поверхности меньше земной в 6 раз ($g \approx 1{,}6\ \text{м}/\text{с}^2$).

Характерные черты планет земной группы:

• Размеры и масса: сравнительно небольшие геометрические размеры и массы.
• Плотность и строение: высокая средняя плотность вещества; наличие твердой каменистой поверхности (литосферы), металлического ядра и силикатной мантии; рельеф представлен материковыми возвышенностями и впадинами, а также следами ударных метеоритных кратеров.
• Атмосфера: тонкие газовые оболочки (Меркурий атмосферы практически лишен; на Венере и Марсе атмосфера состоит преимущественно из углекислого газа, на Земле — из азота и кислорода).
• Спутники и кольца: малое число спутников (у Меркурия и Венеры их нет, у Земли — 1, у Марса — 2); системы колец полностью отсутствуют.
• Период вращения: медленное осевое вращение (длинные сутки).

Характерные черты планет-гигантов:

• Размеры и масса: гигантские размеры и колоссальные массы (составляют основную массу планетной системы).
• Плотность и агрегатное состояние: низкая средняя плотность (сопоставимая с плотностью воды); отсутствие твердой поверхности — планеты представляют собой гигантские газожидкие шары из водорода, гелия, метана и аммиака.
• Атмосфера: мощная, динамичная атмосфера с сильными вихревыми штормами, облачными полосами и метаново-аммиачными циклонами.
• Кольца и спутники: обязательное наличие систем концентрических колец из ледяных и пылевых частиц, а также огромное число естественных спутников (десятки у каждой планеты).
• Вращение: исключительно быстрое вращение вокруг оси (сутки длятся от 10 до 17 земных часов), приводящее к заметному сжатию планет у полюсов.