В повседневном мире гравитация - это сила, заставляющая предметы падать вниз. В астрономии гравитация - это также сила, которая заставляет планеты двигаться по почти круговым орбитам вокруг звезд. На первый взгляд не очевидно, как одна и та же сила может вызвать такое, казалось бы, разное поведение. Чтобы понять, почему это так, необходимо понять, как внешняя сила воздействует на движущийся объект.
Сила гравитации
Гравитация - это сила, действующая между любыми двумя объектами. Если один объект значительно массивнее другого, то гравитация будет притягивать менее массивный объект к более массивному. Планета, например, испытает силу, тянущую ее к звезде. В гипотетическом случае, когда два объекта изначально неподвижны относительно друг друга, планета начнет двигаться в направлении звезды. Другими словами, он упадет к звезде, как подсказывает повседневный опыт гравитации.
Эффект перпендикулярного движения
Ключом к пониманию орбитального движения является осознание того, что планета никогда не неподвижна относительно своей звезды, а движется с большой скоростью. Например, Земля движется по орбите вокруг Солнца со скоростью примерно 108 000 километров в час (67 000 миль в час). Направление этого движения по существу перпендикулярно направлению силы тяжести, которая действует вдоль линии от планеты к солнцу. В то время как гравитация притягивает планету к звезде, ее большая перпендикулярная скорость несет ее вбок вокруг звезды. Результат - орбита.
Центростремительная сила
В физике любое круговое движение можно описать в терминах центростремительной силы - силы, действующей по направлению к центру. В случае орбиты эта сила обеспечивается силой тяжести. Более знакомый пример - объект, вращающийся на конце веревки. В этом случае центростремительная сила исходит от самой струны. Объект притягивается к центру, но его перпендикулярная скорость заставляет его двигаться по кругу. С точки зрения фундаментальной физики ситуация ничем не отличается от случая планеты, вращающейся вокруг звезды.
Круговые и некруглые орбиты
Большинство планет движутся по приблизительно круговым орбитам, что является следствием того, как формируются планетные системы. Важной особенностью круговой орбиты является то, что направление движения всегда перпендикулярно линии, соединяющей планету с центральной звездой. Однако это не обязательно. Кометы, например, часто движутся по некруглым орбитам, которые сильно вытянуты. Такие орбиты все еще можно объяснить гравитацией, хотя теория более сложна, чем для круговых орбит.