Scénář pořadu: „GRAVITACE“
1
Nastavení: družice, kometa
Diapozitivy 1
1
Jakkoliv se nám zdá pozemská příroda i mimozemský vesmír pestrý a rozmanitý, 2 jdeme-li k samé podstatě věci, narazíme na nesmírnou jednoduchost ve stavbě těles. Všechno ve vesmíru je tvořeno jen několika základními částicemi – elektrony a kvarky, které se spojují ve větší a složitější celky. Pojivem těchto částic jsou 4 základní síly neboli interakce. První dvě, takzvaná „silná“ a „slabá“ interakce působí jen uvnitř atomu.(pauza 3 s) Elektromagnetická síla působí zase jen mezi elektricky nabitými částicemi. (pauza 3 s) A konečně tu máme čtvrtou, univerzální sílu – sílu gravitační. Je sice z uvedených sil nejslabší, ale zato působí mezi všemi částicemi ve vesmíru, a to dokonce i na vzdálenosti milionů světelných let. (pauza 5 s) Gravitační síle se říká síla přitažlivá, protože se projevuje pouze tímto jediným způsobem. Jak víme, síla elektromagnetická může částice k sobě nejen přitahovat, ale může je od sebe i odpuzovat. A to je další bod pro gravitaci. (pauza 5 s) Gravitace je tedy schopnost hmotných těles přitahovat k sobě jiná hmotná tělesa. Působí-li na sebe například Země a Měsíc, pak je to součet všech přitažlivých sil mezi každou elementární částicí Měsíce a každou částicí Země. V případě těchto dvou těles 3 však nemůžeme mluvit o vzdálenostech milionů světelných let. Měsíce je od Země vzdálen pouhých 380 000 km a světlo tuto vzdálenost urazí asi za sekundu; takže Měsíc je vlastně od Země vzdálen jedinou světelnou sekundu. (pauza 5 s) Gravitační působení Měsíce na Zemi můžeme poznat takříkajíc „na vlastní kůži“. Nevěříte? Zeptejte se lidí žijících kolem zálivu Fundy na východním pobřeží Kanady. Je to záliv hluboko vklíněný mezi pevninu a poloostrov Nová Scotia. Právě tady byl naměřen nejvyšší mořský příliv. Hladina moře se pravidelně zvedá až o 19 a půl metru! (pauza 3 s) I jinde ve světě dosahuje příliv úctyhodných hodnot. Na pobřeží Francie, 4 v Granville, může být hladina v době přílivu téměř o 15 metrů výš a v ústí řeky Colorado v Mexiku činí tento rozdíl 12 metrů. (pauza 5 s)
2
video
Planetárium stmívání modrá
„Gravitace“
1
Projektor ss: Slunce, Země, Měsíc
3
1
2
4 2
zastavit pohyb v úplňku,
Scénář pořadu: „GRAVITACE“
Gravitační síla Měsíce tedy způsobuje pravidelné vzdouvání mořské hladiny, které nazýváme příliv. Tato síla působí i na zemskou pevninu, ale pohyby vody jsou přece jen zřetelnější. V době, kdy je Měsíc v novu nebo v úplňku, tedy nachází-li se v jedné přímce se Zemí a Sluncem, nastává takzvaný „vysoký příliv“, protože svou gravitační silou působí ve stejném směru i Slunce. (pauza 5 s) Když je Měsíc v první nebo v poslední čtvrti, jsou tato tři tělesa v pravoúhlém postavení a příliv už nedosahuje takových hodnot. Gravitační působení Měsíce na Zemi a její vodstvo souhrnně označujeme jako „slapové jevy“. (pauza 5 s) Krásný příklad slapového působení byl objeven u Jupiterova měsíce Io. (pauza 5 3s) Jupiter je největší z planet sluneční soustavy a obíhá kolem něj mnoho měsíců. Čtyři z nich vidíte právě teď. (pauza 5 s) Podíváme se na měsíc Io, který je k Jupiteru nejblíže. Má vázanou rotaci, což znamená, že natáčí k Jupiteru stále stejnou polokouli. (pauza 3 s) Tvar tohoto měsíce není přesně kulový. Dlouhodobým gravitačním působením obřího Jupitera se ve směru k planetě mírně protáhl; takže na jeho povrchu vznikl asi desetikilometrový hrb. Kdyby měsíc obíhal po kruhové dráze, nic zvláštního by se nedělo, ale není tomu tak. Io obíhá po eliptické dráze, proto je jednou k Jupiteru blíže a pak zas dále. Jednou se pohybuje 6 rychleji a pak zase pomaleji. Jeho hrb se vzhledem k Jupiteru periodicky natáčí a výsledkem je proměnné gravitační působení planety na měsíc. Io je slapovými silami neustále masírován, je natahován tu více, tu méně, a jeho nitro se tím zahřívá. Kosmické sondy Voyager 1 a 2, které ho snímkovaly, objevily zcela nečekaně důsledky právě popsaného jevu – rozsáhlou sopečnou činnost. Na obrázcích vidíte několik činných sopek, z nichž je vyvrhována především síra jako součást nejrůznějších sloučenin. (pauza 10 s) Odhalení gravitační síly byl jeden z nejdůležitějších objevů ve fyzice. 7 Podepsalo se pod něj několik vědců. Tak za prvé italský vědec Galileo Galilei, o němž se povídá, že vytrvale shazoval různé předměty, například dělové koule, z vrcholu šikmé věže v Pise. Možná jsou to jen pověsti, ale jisté je, že objevil zajímavé věci. Zjistil, že během pádu působí na těleso stálá síla, která ho
2
pak v novu zastavit pohyb v první, pak v poslední čtvrti zhasnout ss zhasnout modrou rozsvítit projektor Jupitera 5
3
3
6
4
4
. . . . . . . . . . . . . . . .
zhasnout projektor Jupitera zhasnout hvězdy,
7
Scénář pořadu: „GRAVITACE“
3
urychluje. A zcela správně předpověděl, že ve vakuu budou dvě různá tělesa – třeba peříčko a kus železa - padat se stejným zrychlením. Tento pokus byl nesčetněkrát předveden v laboratořích na Zemi a dokonce i na Měsíci.
Video 1: Pokus na Měsíci („Člověk na Měsíci“ 00:39:55)
(pauza 30 s)
rozsvítit modrou trochu Dalším, kdo přispěl k objevu gravitace byl německý astronom Johannes Kepler. Propočítával dráhy nebeských těles tak dlouho, až se mu podařilo třemi jednoduchými zákony popsat pohyb planet kolem Slunce. (pauza 10 s) Na práci Galilea a Keplera navázal Isaac Newton. Zjistil, že veškeré pády a vrhy 8 těles při povrchu zemském lze popsat působením gravitační síly stejně tak dobře, jako pohyb těles kolem Slunce. Matematicky svůj objev vyjádřil „gravitačním zákonem“, jednoduchým pravidlem, které umožňuje spočítat velikost přitažlivé síly mezi kterýmikoliv dvěma tělesy. Zopakujme si znění tohoto zákona. Na obrázku máme dvě tělesa o hmotnostech „m1“ a „m2“. Vzdálenost mezi nimi je „r“. Podle Newtonova gravitačního zákona se tělesa přitahují silou, která je dána tímto vztahem. Síla je přímo úměrná součinu hmotností obou těles a nepřímo úměrná druhé mocnině jejich vzdáleností. Konstanta úměrnosti „κappa“ se nazývá „gravitační konstanta“ a její hodnota je 6,7 . 10 –11 N.m2.kg-2. Právě tato malá číselná hodnota má za následek, že velikost gravitačních sil mezi pozemskými tělesy běžných velikostí je zanedbatelná. Položíte-li na stůl dva hrníčky s kávou, určitě nezpozorujete jejich vzájemné přiblížení. 9 Je třeba si uvědomit, že gravitační působení těles je vzájemné. Když zakopnete a spadnete na zem, padá také Země na vás. Že to není vidět! No, samozřejmě. Země se přisune k vám tolikrát méně, kolikrát je vaše hmotnost menší než hmotnost její. Vzájemný poměr je drtivý. Vašich pár desítek kilogramů a šest tisíc trilionů tun Země. Země sebou cukne ve směru k vám o pouhý zlomek zlomku průměru jedné jaderné částice; její pohyb je tudíž neměřitelný.
5
5
8 6
9
projektor ss .
Scénář pořadu: „GRAVITACE“
4
(pauza 10 s) Představme si teď na místě dvou hmotných těles třeba Slunce a některou z planet. Čím bude planeta hmotnější, tím větší bude výsledná gravitační síla mezi Sluncem a planetou. S rostoucí vzdáleností od Slunce však bude gravitační síla slábnout. Bude klesat s druhou mocninou vzdálenosti těles. Například Země je od Slunce vzdálena 150 milionů kilometrů a tuto vzdálenost označujeme jako 1 astronomickou jednotku. Saturn je od Slunce přibližně 10 krát dále než Země. Gravitační síla Slunce, která působí ve vzdálenosti dráhy Saturna je 102 krát - tedy 100 krát – slabší než ve vzdálenosti Země. (pauza 10 s) Každé hmotné těleso ve vesmíru je zdrojem gravitačního pole. Právě jeho prostřednictvím působí gravitační síla. Jak daleko vlastně sahá gravitační pole našeho Slunce? (pauza 3 s) Na samé hranici sluneční soustavy se nacházejí kometární jádra. Jsou to malá 10 tělesa s rozměry několik kilometrů nebo desítek kilometrů, ale je jich ohromné množství; možná biliony. Obklopují sluneční soustavu v gigantickém Oortově oblaku, vzdáleném asi 100 000 astronomických jednotek. Gravitační síla Slunce je tady 10 miliardkrát slabší než ve vzdálenosti Země. Maličké komety jsou poutány ke Slunci jen velmi slabě. Stačí nepatrná vnější síla a kometa může navždy opustit Slunce a vydat se na dlouhou pouť mezihvězdným prostorem. Nebo může naopak zamířit ke Slunci a vytvořit nádherný kometární chvost. Obletí Slunce po protáhlé elipse a pak se znovu vrátí domů, do Oortova oblaku.
(pauza 30 s)
Gravitační pole Slunce však v Oortově oblaku nekončí; jen je stále slabší. 11 V určité vzdálenosti od Slunce pak začnou převládat účinky gravitačního pole jiné hvězdy. (pauza 5 s)
6 7
10
. . . . . . . . . . . . zastavit
7
8
kometa na obloze
Scénář pořadu: „GRAVITACE“
Gravitační síla Slunce a dalších miliard hvězd drží pohromadě naši Galaxii, které říkáme Mléčná dráha. (pauza 5 s) Gravitační pole Mléčné dráhy přitahuje okolní galaxie a všechny dohromady vytvářejí galaktické kupy. 12 (pauza 10 s)
5 11 9
obzor. světla nebo modrá
10
Gravitační pole naší hvězdy Slunce tedy nikde nekončí, jen slábne; přesně podle Newtonova gravitačního zákona. (pauza 10 s) Po všem, co jste právě slyšeli, už zřejmě neuvěříte nesmyslu, že „se kosmonauté 13 dostali do stavu beztíže, kde na ně nepůsobí gravitační síla“. Kosmonauté na oběžné dráze kolem Země samozřejmě jsou v jejím gravitačním poli a gravitační síla na ně i na jejich kosmickou loď působí. Dobře, ale co je to tedy „stav bez tíže“? Než se k vysvětlení dostaneme, musíme začít více zeširoka. Řekneme si, jaký je rozdíl mezi gravitační a tíhovou silou. (pauza 5 s) V okolí každého hmotného tělesa existuje gravitační pole. To už víme. Země je 14 obklopena gravitačním polem a na každé těleso zde působí gravitační síla orientovaná směrem ke středu planety. Naše Země však není nehybné těleso. Podobně jako ostatní planety i ta naše rotuje. Otáčí se kolem své osy jednou za 24 hodin. Na každé pozemské těleso proto musí působit i síla odstředivá, která je vždy kolmá k ose rotace. (pauza 5s) Výslednicí obou sil, síly gravitační a odstředivé, je síla tíhová. Liší se jen 15 nepatrně od síly gravitační a míří přibližně do středu Země. Působením tíhové síly padají všechna tělesa k Zemi se zrychlením „g“, které se nazývá tíhové zrychlení. Jeho velikost se mění se zeměpisnou šířkou, protože se mění odstředivá síla - největší je na rovníku a nulová na pólech. (pauza 3 s) Pro potřeby měření se zavádí takzvané „normální tíhové zrychlení“, jehož velikost je 9,8 m . s-2 . Všechna tělesa pohybující se volným pádem k Zemi zvýší každou sekundu svou rychlost o 9,8 metrů za sekundu. Podívejme se na některé jiné planety ve sluneční soustavě. Například Mars. Otáčí se kolem své osy přibližně stejně rychle jako Země, je však o polovinu menší. Výsledná tíhová síla na Marsu bude menší než na Zemi. (pauza 5 s)
12
13 11
8
14
9
12
zhasnout světla jen hvězdy
Scénář pořadu: „GRAVITACE“
Jupiter je více než 300 x hmotnější než Země a rychlost jeho rotace je úctyhodná. Tento kolos se otočí jednou kolem své osy za neuvěřitelných 10 hodin. Velikost tíhové síly na Jupiteru bude větší než na Zemi. (pauza 5 s) Tíhová síla působící na jiných planetách se tedy bude případ od případu lišit. Bude záviset na hmotnosti planety a na rychlosti její rotace. Zkusme si teď udělat jednoduchý myšlenkový pokus. Chceme-li se doma zvážit, tedy zjistit svou hmotnost, stoupneme si na váhu. Popravdě řečeno to, co měříme, je tíha nás samotných - tíhová síla, kterou působíme na podložku. Pokud si tutéž váhu přeneseme na některou jinou planetu, zjistíme úplně jiné hodnoty. Tíhová síla, kterou působíme na podložku je na jiných planetách jiná. (pauza 3 s) Tak už si nedělejte problémy s hubnutím. Máte-li opravdu velkou nadváhu, zvažte se třeba na Měsíci, budete 6 x lehčí aniž byste museli ubrat jediný kilogram ze své hmotnosti. Měsíc je také ideálním místem pro ctižádostivé sportovce. Ano, zkušený atlet by tady bez problémů skočil nějakých 50 metrů do dálky a 14 metrů do výšky. A přitom by se nemusel namáhat o nic víc než na Zemi. (pauza 5 s) A teď se tedy konečně dostáváme k otázce, co je to „stav beztíže“. Představte si raketoplán, který právě opustil startovací rampu. Kdyby neexistovala gravitace, odletěl by po přímce kdesi do hlubin vesmíru. V zemském gravitačním poli se však jeho dráha působením gravitační síly zakřivuje. Pokud bychom špatně vypočetli rychlost, došlo by ke katastrofě. V případě velké rychlosti by raketoplán odletěl nenávratně od Země nebo, pokud by byla jeho rychlost malá, roztříštil by se o zemský povrch. Chceme-li, aby raketoplán obíhal například ve výšce 300 km nad povrchem, musíme mu udělit rychlost právě 7,7 kilometrů za sekundu. (pauza 3 s) Několik minut po startu, kdy hoří palivo v reaktivních motorech, prožívají kosmonauté stresující okamžiky. Obrovský tah raketových motorů překonává přitažlivou sílu Země. Vše je provázeno hlukem a mohutnými vibracemi, které způsobují chvění všech přístrojů v pilotní kabině. Kosmonauté jsou vystaveni obrovskému přetížení. Po odhození 16 pomocných startovacích raket a po dosažení potřebné rychlosti 7,7 kilometrů za sekundu se konečně odděluje i velká palivová nádrž. Je to chvíle uvolnění z obrovského napětí. Na raketoplán přestává působit vnější síla raketových motorů a kosmonauté se rázem ocitají ve stavu beztíže. Výslednice gravitační a odstředivé síly působící na kosmonauty je nulová; jsou tedy zbaveni tíhy svého těla. (pauza 3 s) Raketoplán se dál
6
DP . . . . konec DP panorama Měsíce
zhasnout hvězdy modrou 15
10 16
13
11
Scénář pořadu: „GRAVITACE“
7
pohybuje setrvačností. V každém okamžiku padá k Zemi, ale přitom se současně o 17 kousek posune, takže si neustále zachovává stejnou výšku nad zemským povrchem. Kosmonauté, vznášející se v kabině, mohou každých 90 minut mohou pozorovat 18 východ a západ Slunce za modrou zeměkoulí.
17 18 13
15 19
19
(pauza 30 s)
12
14
14
16
družice
Informace o startech raketoplánů nebo vypouštění umělých družic se staly zcela běžnou součástí večerních zpráv v televizi. Lety do vesmíru v mnohém změnily náš každodenní život, a tak si připomeňme alespoň to nejdůležitější, co nám poskytují umělé družice Země. (pauza 5 s) Podíváte-li se na oblohu, zvláště za teplých letních večerů, s velkou pravděpodobností spatříte některou z družic. Vypadají jako letící hvězdičky. Můžete je pozorovat tak dlouho, dokud je osvětluje Slunce, teď již skryté pod obzorem, a zmizí v okamžiku, kdy se ponoří do stínu Země. (pauza 10 s) Kolem Země obíhá několik tisíc takových těles, ale jen malá část v současné době 20 doopravdy pracuje. Významnou skupinu tvoří družice telekomunikační. Jejich nejdůležitějším úkolem je „být poslíčky“; zachycují a dále přenášejí naše vysílání na rádiových vlnách. První živé televizní vysílání z Ameriky do Evropy se uskutečnilo díky družici TELSTAR 1, která byla vypuštěna již v roce 1962! Díváte-li se dnes na přímý přenos z fotbalového utkání pořádaného na jiném kontinentě, s velkou pravděpodobností za to vděčíte nějaké družici. (pauza 3 s) Většina telekomunikačních družic se pohybuje po drahách, kterým říkáme „geostacionární“; nacházejí se ve výšce 35 800 kilometrů nad rovníkem. Tyto družice oběhnou Zemi za stejnou dobu, kterou potřebuje Země k jedné otočce. Z pohledu ze země to vypadá tak, že “visí“ nad stejným místem zemského povrchu. Ohromné množství družic se však nachází na drahách mnohem nižších. Dráhy pod 1000 kilometrů jsou už označovány jako „nízké“. Mohou mít kruhový nebo
zhasnout modrou rozsvítit hvězdy
20
15 17
21
Scénář pořadu: „GRAVITACE“
eliptický tvar. Družice mohou Zemi obíhat v rovině rovníku nebo přeletávat nad oběma zemskými póly; takové dráhy pak nazýváme „rovníkové“ a „polární“. Sklony drah však mohou nabývat nejrůznějších hodnot mezi těmito krajními případy. Zvláštní dráhy mají družice heliosynchronní. Zachovávají stálou polohu vůči Slunci, to znamená, že přelétávají nad určitou oblastí povrchu vždy ve stejnou denní dobu, za stejného osvětlení Sluncem. Patří mezi ně například americká družice LANDSAT, která pořídila fantastické záběry zemského povrchu. (pauza 5 s) Družice poskytují podklady pro zhotovování přesných map, objevují nové zdroje nerostných surovin, sledují migraci ohrožených druhů zvířat. Význam meteorologických družic snad už ani nemusíme zdůrazňovat. Kromě toho, že snímky oblačnosti neodmyslitelně patří ke každé předpovědi počasí, hrají družice životně důležitou roli pro obyvatele oblastí postihovaných tajfuny, hurikány či záplavami. Zvláštní kapitolou jsou družice vojenské. Je jich mnohem více než těch, které jsou používány pro civilní účely. Mají za úkol shromažďovat různými prostředky informace o vojenských základnách, o vojenském vybavení a také o pohybu jednotek nepřátelských zemí. Záleží pouze na lidech, jestli se někdy stanou kosmickými zbraněmi. Příliš velké finanční náklady spojené s výrobou a vypouštěním družic bohužel omezují možnosti vědeckých výzkumů. Přesto se v posledních letech podařilo vynést na oběžnou dráhu přístroje, které zkoumaly okolní vesmír ve všech oblastech spektra. Družice IRAS, ISO, COBE a COMPTON ukázaly vesmír v těch oborech záření, které naše atmosféra částečně nebo vůbec nepropouští. Skvělé výsledky přinesla také astrometrická družice Hipparchos. Na základě dat z této družice byly vydány dva katalogy, z nichž první obsahuje velmi přesné polohy 120 000 hvězd a druhý polohy a jasnosti asi jednoho milionů hvězd. Obrovské množství přesných dat z družice Hipparchos se stane podkladem mnoha vědeckých prací a posune hranici našich znalostí o vesmíru. Mnoho vědeckých družic bylo vyneseno v nákladovém prostoru raketoplánu, který krouží ve výškách mezi 300 až 500 kilometry. Snad nejslavnějším nákladem raketoplánu byl Hubblův kosmický dalekohled, vynesený na oběžnou dráhu v roce 1990. Jeho snímky planet, vzdálených hvězd, hvězdokup, mlhovin a galaxií způsobily úžasný skok v našich znalostech o vesmíru. (pauza 5 s)
8 16
22
21
17
18 23
22
18
19 24 25
23 20
19
26
24 21
20
25
27 22 26 23 27
Scénář pořadu: „GRAVITACE“
Speciální typy družic, které jsou určeny k vynesení na oběžnou dráhu kolem Slunce nebo mají zamířit k jiným tělesům sluneční soustavy, se nazývají kosmické sondy. (pauza 3 s) Tato tělesa jsou nejprve navedena na parkovací dráhu kolem Země a pak je jim udělena potřebná rychlost k cestě na jinou planetu. Přestože je tato technika velmi přesná, je často nezbytné dělat během letu opravy. Cesta k Venuši trvá sondě asi 4 měsíce, k Marsu více než rok a ke vzdálenějším planetám několik let. Prohlédněte si teď nádherné snímky těles sluneční soustavy, které pořídily planetární sondy. Je v nich skryto nesmírné množství práce a důmyslnosti mnoha lidských generací. Vědci, kteří vypočítávali složité dráhy kosmických sond, museli vycházet z Newtonova gravitačního zákona, z jednoduše vyhlížející formulky, jejíž platnost je prověřována již více než 300 let.
9 21
24
28
28 25
22 29
29 26
23 30
30 27
24 31
31 28
25 32
32 29
26 33
33 30
27 34
34 31 35
28 35
DP . sonda . . . .
