Осевой параллелизм (также называемый гироскопической жесткостью , инерцией или жесткостью , или « жесткостью в пространстве ») — это характеристика вращающегося тела, при которой направление оси вращения остается неизменным при движении объекта в пространстве . В астрономии эта характеристика встречается у астрономических тел на орбите . Это тот же эффект, который заставляет ось вращения гироскопа оставаться постоянной при вращении Земли , что позволяет устройствам измерять вращение Земли . [1]
Орбита Земли, ось которой наклонена на 23,5 градуса , демонстрирует приблизительную параллельность осей, сохраняя свое направление к Полярной звезде («Полярной звезде») круглый год. Вместе с наклоном оси Земли это одна из основных причин смены времен года на Земле , как показано на диаграмме справа. [2] [3] [4] [5] Это также причина того, что звезды кажутся неподвижными в ночном небе , например, «неподвижные» полярные звезды , на всей орбите Земли вокруг Солнца. [6]
Незначительное изменение направления оси, известное как осевая прецессия , происходит в течение 26 000 лет. В результате в течение следующих 11 000 лет ось Земли переместится и укажет на Вегу , а не на Полярную звезду. [7]
Осевой параллелизм широко наблюдается в астрономии. Например, осевая параллельность плоскости орбиты Луны [8] является ключевым фактором явления затмений . Ось орбиты Луны совершает полный оборот в течение 18-летнего 10-дневного цикла Сароса . Когда наклон орбиты Луны совпадает с наклоном эклиптики, он составляет 29 градусов от эклиптики, а когда они противолежат (9 лет спустя), наклонение орбиты составляет всего 18 градусов.
Кроме того, кольца Сатурна остаются в фиксированном направлении, пока эта планета вращается вокруг Солнца. [9]
Для демонстрации этого принципа использовались ранние гироскопы , в первую очередь эксперимент с гироскопом Фуко . [10] До изобретения гироскопа ученые объясняли это по-разному. [9] Астроном раннего Нового времени Дэвид Грегори , современник Исаака Ньютона , писал:
Чтобы объяснить движение небесных тел вокруг их собственных осей, заданных в положении, и их вращения… Если говорят, что тело движется вокруг данной оси, но в других отношениях оно не движется, предполагается, что этот топор быть неподвижным и каждая точка из него описывать круг, плоскости которого ось перпендикулярна. И по этой причине, если тело переносится по прямой и в то же время вращается вокруг данного топора; Топор во все время движения Тела будет продолжать двигаться параллельно самому себе. Для сохранения этого параллелизма не требуется ничего другого, кроме того, чтобы телу не сообщалось никакое другое движение, кроме этих двух; ибо если в нем не будет другого третьего Движения, то его Топор будет всегда оставаться параллельным Правой линии, которой он когда-то был параллелен. [11]
Этот гироскопический эффект в наше время описывается как «гироскопическая жесткость» или «жесткость в пространстве». Ньютоновское механическое объяснение известно как закон сохранения углового момента . [12]
Из-за жесткости пространства гироскоп не наклоняет свою ось вращения при вращении Земли.
Хотя эти расстояния кажутся нелогичными жителям Северного полушария, у которых лето в июле, а зима в январе, времена года не так сильно зависят от расстояния, как от изменений солнечного освещения, вызванных тем фактом, что полярная ось Земли наклонена на 23,5 градуса от перпендикуляра к эклиптике (плоскости Солнечной системы, через которую или вблизи которой проходит большинство орбит планеты), а также потому, что Земля демонстрирует параллельность (в настоящее время к Полярной звезде, Полярной звезде), когда она вращается вокруг Солнца.
Во время обращения вокруг Солнца полярная ось Земли оказывается параллельной Полярной звезде (также известной как Полярная звезда). Несмотря на соблюдение параллелизма, ориентация полярной оси Земли демонстрирует прецессию — круговое колебание, демонстрируемое гироскопами, — что приводит к циклу прецессии продолжительностью 28 000 лет. В настоящее время полярная ось Земли указывает примерно в направлении Полярной звезды (Полярной звезды). В результате прецессии в течение следующих 11 000 лет ось Земли будет прецессировать или колебаться так, что примет ориентацию к звезде Вега.
Ось Луны не перпендикулярна плоскости ее орбиты, а немного наклонена к ней: Ось сохраняет свою параллельность при своем движении вокруг Земли.
Под названием «инструменты прецессии» в течение ряда лет использовались различные устройства, основанные на принципе гироскопа, для иллюстрации прецессии равноденствий и параллельности земной оси при ее вращении вокруг Солнца.