Ha most nyugodtan állsz az udvaron vagy ülsz az osztályteremben, könnyen úgy érezheted, hogy teljesen mozdulatlan vagy. A valóságban azonban elképesztően sokféle mozgásban veszel részt egyszerre. A Föld forog a saját tengelye körül, közben a Föld–Hold rendszer is mozog, a Föld a Nap körül kering, a Naprendszer pedig a Tejútrendszerben halad. Maga a Tejútrendszer is mozog a környezetéhez képest.
Ez azonban nem jelenti azt, hogy pontosan meg lehet mondani: „te most 500 km/s sebességgel haladsz”. A sebesség ugyanis mindig valamihez képest értendő. Más sebességet kapunk, ha a Földhöz, a Naphoz, a Tejútrendszerhez vagy például a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzáshoz viszonyítunk.
- A Föld forog a tengelye körül
A Föld körülbelül 24 óra alatt fordul meg egyszer a tengelye körül. Pontosabban a csillagokhoz képest egy teljes fordulat körülbelül 23 óra 56 perc, a 24 órás nap pedig azért alakul így, mert közben a Föld a Nap körül is halad.
A forgás sebessége attól függ, milyen messze vagyunk a forgástengelytől.
Az Egyenlítőn egy pont körülbelül 465 métert tesz meg másodpercenként, vagyis nagyjából 1670 km/h sebességgel mozog. Magyarországon, körülbelül a 47. északi szélességen ez körülbelül 317 m/s, azaz 1140 km/h.
A sarkokon viszont a felszín egy pontja gyakorlatilag nem tesz meg kört a Föld tengelye körül, ezért a forgásból származó sebessége közel nulla.
A Föld forgása nyugatról kelet felé történik. Ezért látjuk úgy, hogy a Nap keleten kel fel és nyugaton nyugszik.
- A Föld és a Hold közös tömegközéppontja körül is mozog
Gyakran azt mondjuk, hogy a Hold a Föld körül kering. Ez jó közelítés, de fizikailag pontosabban fogalmazva a Föld és a Hold közös tömegközéppontjuk, az úgynevezett baricentrum körül mozognak.
Ez a pont a Föld belsejében található, körülbelül 4670 kilométerre a Föld középpontjától, tehát nagyjából 1700 kilométerrel a felszín alatt. (ScienceDirect)
A Hold körülbelül 27,3 nap alatt jár körbe ezen a közös rendszeren. Emiatt a Föld középpontja is egy kisebb pályát ír le. Ennek sebessége nagyságrendileg 12 m/s, vagyis körülbelül 45 km/h.
Ez azonban nem egy újabb, a Föld felszínéről külön érzékelhető „kirepítő mozgás”. A Föld, a légkör, az óceánok és mi magunk együtt veszünk részt ebben a mozgásban.
- A Föld a Nap körül kering
Ez már sokkal nagyobb sebesség.
A Föld átlagosan körülbelül 29,8 km-t tesz meg másodpercenként a Nap körüli pályáján. Ez több mint 107 000 km/h.
A Föld pályája nem tökéletes kör, hanem kissé elnyújtott ellipszis. Emiatt a sebessége sem állandó: a Naphoz közelebb valamivel gyorsabban, távolabb valamivel lassabban halad. A NASA adatai szerint a sebesség körülbelül 29,29 és 30,29 km/s között változik. (NASA Science)
Azt is mondhatjuk, hogy a Föld a Naprendszer tömegközéppontja körül mozog. Ez azért érdekes, mert a Nap sem áll teljesen mozdulatlanul. A nagybolygók, elsősorban a Jupiter és a Szaturnusz gravitációja miatt a Nap is kissé „táncol” a Naprendszer tömegközéppontja körül. A Jupiter és a Nap közös tömegközéppontja például a Nap felszíne közelében, bizonyos helyzetekben azon kívül található. (spaceplace.nasa.gov)
- A Föld forgástengelye is lassan változtatja az irányát
A Föld tengelye nem mindig ugyanabba az irányba mutat.
A Nap és a Hold gravitációja hat a Föld egyenlítői kidudorodására. Emiatt a Föld forgástengelye nagyon lassan körbejár egy képzeletbeli kúpfelületen. Ezt nevezzük precessziónak.
Egy teljes körülbelül 26 000 évig tart.
Ehhez kisebb, periodikus változások is társulnak. Ezek közül az egyik legfontosabb a nutáció, amelynek jelentős periódusa körülbelül 18,6 év. A nutáció olyan, mintha a Föld forgástengelye a lassú körmozgás közben kissé „bólogatna”. (NASA Science)
Fontos azonban, hogy ezt nem érdemes úgy elképzelni, mintha a talpunk alatt lévő pont óriási köröket tenne meg. Elsősorban a forgástengely iránya változik, nem pedig a talajban álló ember kezd el emiatt látványosan körbejárni.
- A földrajzi pólusok sem teljesen mozdulatlanok
A Föld forgástengelyének és a szilárd Földnek egymáshoz viszonyított helyzete is kissé változik. Ezt nevezzük pólusmozgásnak vagy poláris mozgásnak.
Ennek egyik ismert összetevője a Chandler-ingadozás, amelynek periódusa körülbelül 14 hónap. A forgástengely Föld felszínével való metszéspontja néhány méteres nagyságrendben vándorolhat. (Wikipedia)
Ezt sem célszerű úgy kezelni, mint egy újabb nagy „kozmikus sebességet”. Ez egy nagyon kis földfizikai mozgás, amely a pólusok helyzetének pontos meghatározásánál fontos.
- A Naprendszer is halad a közeli csillagokhoz képest
A Nap nem áll egy helyben a környezetében.
A Naprendszer a közeli csillagokhoz és a helyi csillagközi környezethez képest körülbelül 20 km/s sebességgel mozog. Ennek az iránynak a végét nevezzük szoláris apexnek.
Az irány nagyjából a Herkules csillagkép térsége felé mutat.
Itt is fontos a viszonyítás: ez a sebesség nem valamilyen abszolút „világegyetemi sebesség”, hanem egy meghatározott környezethez képest mért érték.
- A Naprendszer a Tejútrendszerben is kering
A Naprendszer a Tejútrendszer egyik spirálkarjában, az úgynevezett Orion-karban található. Eközben a galaxis középpontja körül is kering.
A sebesség nagyságrendileg 220–230 km/s, vagyis több mint 800 000 km/h.
Egy teljes galaktikus kör megtétele körülbelül 225–250 millió évig tart.
A Naprendszer tehát még akkor sem állna egy helyben, ha valamilyen módon kikapcsolnánk a Föld forgását és a Föld Nap körüli keringését.
- A Tejútrendszer sem áll mozdulatlanul
És itt jutunk el a legnagyobb léptékhez.
A Tejútrendszer a környezetében található galaxisokkal együtt mozog. A mozgás leírására használhatjuk például a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást, röviden CMB-t.
A CMB az ősrobbanás után keletkezett, ma is megfigyelhető mikrohullámú sugárzás. Mivel az Univerzum nagyon nagy léptékben minden irányban hasonlóan tölti ki a teret, a CMB-hez képest értelmezhető egy különleges vonatkoztatási rendszer.
A Naprendszerhez viszonyítva a CMB dipólusából körülbelül 369 km/s-os sebesség adódik. A Lokális Galaxis-csoportnak nevezett rendszer sebessége a CMB-hez képest körülbelül 627 km/s. (lweb.cfa.harvard.edu)
A két számot azonban nem szabad egyszerűen összeadni. Más rendszerről és más sebességről van szó.
A „Nagy Vonzó” emlegetésekor is óvatosnak kell lennünk. A galaxisok mozgását valóban befolyásolják a környezetükben lévő nagy tömegű struktúrák, de nem helyes azt mondani, hogy a Tejútrendszer egyszerűen „a Nagy Vonzó felé zuhan”. A kozmikus léptékű galaktikus mozgások ennél összetettebbek.
Akkor most milyen gyorsan mozgunk?
Erre nincs egyetlen válasz.
Ha csak a Föld forgását nézzük, Magyarországon körülbelül 1140 km/h sebességgel mozgunk a Föld forgástengelyéhez képest. A Naphoz képest ehhez hozzáadódik a Föld körülbelül 107 000 km/h-s keringési sebessége. A Tejútrendszerhez viszonyítva újabb, több százezer kilométer per órás sebességről beszélhetünk.
A kozmikus háttérsugárzáshoz viszonyítva pedig a Naprendszer sebessége nagyjából 369 km/s, vagyis körülbelül 1,33 millió km/h. De nem szabad ezeket a számokat egyszerűen összeadni. A sebesség ugyanis vektor: nemcsak nagysága, hanem iránya is van. Ha két tárgy ugyanabba az irányba mozog, sebességük jobban összeadódik; ha ellentétes irányban, részben kiolthatják egymást.
Ráadásul az egyes mozgások különböző vonatkoztatási rendszerekben vannak megadva. Ezért nincs értelme azt mondani, hogy „a Föld felszínén álló ember pontosan 600 km/s sebességgel halad”.
Egy adott pillanatban meghatározható egy sebesség valamely kiválasztott vonatkoztatási rendszerhez képest, de az érték attól függ, hogy mihez képest mérjük.
Miért nem repülünk le a Földről?
Ez az egész történet egyik legérdekesebb része.
Azért nem repülünk le, mert a nagy sebesség önmagában nem jelent kirepítő erőt. Ha egy repülőgép egyenletesen, 900 km/h sebességgel repül, a benne ülő utas nem érzi ezt a sebességet. Ha a gép tökéletesen egyenletesen halad, a kávé sem kezd el hátrafelé vagy előre repülni.
Amit érzünk, az elsősorban a gyorsulás, vagyis a sebesség nagyságának vagy irányának megváltozása. Ez Newton első törvényének, a tehetetlenség törvényének egyik fontos következménye.
A Föld, a légkör, az óceánok és minden, ami a felszínén található, együtt mozog. Nem kell minden pillanatban újra „felgyorsítanunk” magunkat a Föld több száz kilométer/másodperces kozmikus mozgásához.
A Föld forgása valóban egy kicsit csökkenti a súlyunkat
A Föld forgása azonban tényleg okoz egy érdekes hatást. Az Egyenlítőn egy ember a Földdel együtt körpályán mozog. Ehhez befelé mutató gyorsulás szükséges. Egy forgó vonatkoztatási rendszerben ezt gyakran centrifugális hatásként írjuk le.
Az Egyenlítőn a forgásból származó centrifugális gyorsulás körülbelül:
0,034 m/s².
Összehasonlításképpen a gravitációs gyorsulás körülbelül:
9,78 m/s².
A forgás tehát csak körülbelül 0,35 százalékkal csökkenti a mérhető nehézségi gyorsulást az Egyenlítőn. Ezért egy ember ott valamivel könnyebbnek „látszik” egy mérlegen, mint ugyanaz az ember a sarkvidékeken.
Ha a Föld nagyon gyorsan forogna, ez a hatás egyre nagyobb lenne. Elméletileg körülbelül 84 perces forgási idő mellett az Egyenlítőn a forgásból származó hatás már elérné a gravitáció nagyságát. Ekkor a felszín közelében lévő tárgyak súlytalanná válnának az Egyenlítőn.
A valóságban azonban ettől a Föld nagyon-nagyon messze van.
És mi történik a Nap körüli keringés közben?
Itt egy fontos félreértést is érdemes eloszlatni.
A Földet nem azért nem repíti le a Nap körüli keringés, mert a Nap gravitációja „legyőzi a centrifugális erőt”.
Pontosabb azt mondani, hogy a Föld folyamatos szabadesésben van a Nap gravitációs terében.
A Földnek van oldalirányú sebessége, ezért nem zuhan egyenesen a Napba. A Nap gravitációja folyamatosan eltéríti a mozgását, így a Föld pályája görbül.
Ezt hasonlíthatjuk ahhoz, mintha egy nagyon messzire elhajított labda folyamatosan zuhanna a Föld felé, de közben olyan gyorsan halad oldalirányban, hogy a felszín görbülete miatt mindig „elvéti” a Földet.
A Földön álló ember és maga a Föld együtt vesz részt ebben a szabadesésben. Ezért nem érzünk abból semmit, hogy a Nap körül körülbelül 30 km/s sebességgel haladunk.
A Hold is vonzza a testünket
A Hold természetesen minket is vonz a gravitációjával.
A Hold által a Föld felszínén létrehozott gravitációs gyorsulás nagyságrendileg néhány tízmilliomod m/s², pontosabban körülbelül 0,000033 m/s². Ez a Föld gravitációjához képest csak néhány milliomod rész.
Ez az oka annak, hogy egy ember közvetlenül nem érzi a Hold gravitációs vonzását.
Az óceánokban viszont már fontos szerepet játszik. A Hold gravitációja a Föld különböző részeit kissé eltérő mértékben húzza. Ezt a különbséget nevezzük árapálykeltő hatásnak, és ez járul hozzá az apály és dagály kialakulásához.
A legfontosabb tanulság
Tehát amikor egy helyben állunk, valójában egyáltalán nem vagyunk mozdulatlanok.
A Föld forog, a Föld–Hold rendszer mozog, a Föld a Nap körül kering, a Naprendszer a Tejútrendszerben halad, a Tejútrendszer pedig maga is mozog a kozmikus környezetéhez képest.
Mégsem érezzük ezeket a hatalmas sebességeket.
Ennek egyszerű oka van: nem a sebességet érezzük, hanem elsősorban a gyorsulást és a testünkre ható erőket.
A másik fontos tanulság pedig az, hogy nincs olyan, hogy egy tárgy „abszolút sebessége”. Mindig meg kell mondanunk, hogy mihez képest mérjük.
Ezért egyszerre lehet igaz, hogy egy ember a szobához képest szinte mozdulatlan, a Föld forgástengelyéhez képest több mint 1000 km/h-val mozog, a Naphoz képest több mint 100 000 km/h-val halad, és a kozmikus háttérsugárzáshoz képest több mint egymillió km/h-s sebességgel mozog.
És mindez ugyanabban a pillanatban történik.
Discover more from Magyar Iskola
Subscribe to get the latest posts sent to your email.
