Wie ich Animationen des Sonnensystems für einen Zweitklässlersohn gemacht habe

Es war einmal ein Physikstudium. Später lernte ich alleine als Webprogrammierer. Seitdem arbeite ich hauptsächlich als Programmierer, aber ich widme mich weiterhin der Physik, der Technologie (ich berechne oder konstruiere etwas) und der Wissenschaft im Allgemeinen. Eine solche "Spaltung" bringt interessante Ergebnisse. Es stellte sich heraus, dass einige Fakten in der Physik durch Programmierung gut erklärt werden können.

Woher kam eine solche Frage? Das älteste Kind in der Schule hatte eine Lektion über die Planeten des Sonnensystems. Im Allgemeinen kennt er sie und am Abendhimmel sahen wir einige (Jupiter, Mars, Saturn). Viele interessante Fakten bleiben jedoch unverständlich. Mangel an Sichtbarkeit, Bewegung, möglicherweise Interaktivität. Genau diese Lücke in der Präsentation des Materials wollte ich mit Hilfe der Webprogrammierung füllen, nach der bekannten Weisheit: "Es ist besser, einmal zu sehen als hundertmal zu hören."

Wie Sie vielleicht erraten haben, konzentriert sich der Artikel auf Fakten zum Sonnensystem (nicht nur auf Planeten). Mal sehen, was in unserer galaktischen Ecke so neugierig ist.

Um alles zu demonstrieren, was geschrieben wurde, habe ich eine Reihe von Webseiten vorbereitet, zu denen ich während des Gesprächs Links bereitstellen werde. In diesem Artikel verwenden wir das Paket html + svg + javascript . Es ist einfach, verständlich und für unsere Ziele durchaus geeignet. Wenn Sie daran interessiert sind, wie dies oder das „unter der Haube“ funktioniert, können Sie die Quellcodes meiner Seiten sicher öffnen und anzeigen. Links zu Wikipedia werden auch bereitgestellt, wenn Sie mehr über etwas lesen möchten.

Exzentrizität

Die Hauptannahme beim Erstellen von Seiten ist mit Exzentrizität verbunden. Dieser Parameter zeigt den Dehnungsgrad der Umlaufbahn. Wenn die Exzentrizität Null ist, ist dies ein sauberer Kreis, wenn von Null bis Eins, dann eine Ellipse. Viele Menschen wissen, dass die Umlaufbahn von Pluto eindeutig elliptisch ist (sogar die Umlaufbahn von Neptun teilweise überlappt). Ihre Exzentrizität beträgt also 0,24. Was interessant ist, stellt sich heraus, und in der Umlaufbahn von Merkur beträgt die Exzentrizität 0,2. Für andere Planeten reicht der Wert von 0,01 bis 0,1 .

Um die Berechnungen und den Zeitplan nicht zu komplizieren, werden wir die Umlaufbahnen , einschließlich der von Merkur, als einfach kreisförmig betrachten . Wir werden Pluto von der Betrachtung ausschließen, da es auch eine Neigung der Umlaufbahn hat - das Modell ist zu kompliziert. Mit svg können Sie natürlich Ellipsen zeichnen, aber kreisförmige Umlaufbahnen reichen aus, um die grundlegenden Probleme zu verstehen und im Browser zu zeichnen.

Modellstruktur

Jetzt können Sie auf unserer Seite alles erstellen, was Sie brauchen. Es gibt ein Element in svg, das genau zu uns passt. Mit ihm können Sie die Sonne, die Planeten und ihre Umlaufbahnen zeichnen. Die Positionierung der Sonne und der Planeten sowie die Größe der Umlaufbahnen werden mit Javascript basierend auf der aktuellen Größe des Browserfensters berechnet (hier leider, aber in mobilen Browsern wird es wahrscheinlich zu klein sein). Für das Rendern wird eine Skala berechnet, sodass die größte Umlaufbahn in den Bildschirm passt. Um die aktuelle Position des Planeten zu berechnen, wird die Periode seiner Umdrehung um die Sonne in Erdjahren genommen.

Planeten der Erdgruppe

Fangen wir an. Teil eins, es gibt vier innere Planeten auf der Bühne. Auf dieser Seite haben wir die HTML- und SVG-Struktur „getestet“, sodass sich nichts bewegt hat, und das Javascript getestet. Es ist wichtig, alles qualitativ zu machen, damit alle folgenden Seiten denselben "Rahmen" verwenden.



Also, fertig, alles ist gezeichnet, die Planeten bewegen sich. Jetzt können Sie sich die Ergebnisse ansehen, die sich speziell auf die Physik (Astronomie) beziehen. Erstens sind die Beziehungen zwischen den Größen der Umlaufbahnen und zweitens zwischen den Perioden der Revolution offensichtlich geworden. Beachten Sie, wie schnell Merkur mit der Erde oder dem Mars verglichen wird.

Zwei gepunktete Kreise in der Animation begrenzen die sogenannte bewohnbare Zone, in der Leben möglich ist. Wie Wikipedia sagt, geben verschiedene Wissenschaftler leicht unterschiedliche Schätzungen für seine Grenzen an . Wir haben den Bereich 0,95 - 1,37 AU genommen Die Animation zeigt deutlich, wie viel Glück wir Erdlinge haben - unser Planet ist der einzige, der in die richtige Gegend gelangt ist.

Wir gehen weiter.

Asteroidengürtel

Teil zwei - der gleiche Jupiter auf der Bühne.

Im Vergleich zur ersten Animation hier haben wir die Bewegung um das 15-fache beschleunigt - nur damit Jupiter eine mehr oder weniger anständige Geschwindigkeit hat (ansonsten ist es völlig unmöglich zu warten, bis er mindestens eine Umdrehung macht). Diese Nuance zeigt, wie langsam sich die äußeren Planeten im Vergleich zu den inneren bewegen - jede Umdrehung um die Sonne beginnt bereits, sich auf Dutzende und Hunderte von Jahren zu belaufen.

Natürlich fällt die große Lücke zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter auf. In Wirklichkeit gibt es einen Gürtel aus Asteroiden - Objekte, die aufgrund des Gravitationseinflusses des Jupiter keinen Planeten bilden könnten. Der Gürtel erstreckt sich von 2,2 bis 3,6 AE All dieser „Gebäudeabfall“, der seit Beginn des Sonnensystems übrig geblieben ist, wird in der Animation mit schwarzen Punkten dargestellt. Natürlich müssen Sie verstehen, dass dies eine ungefähre Zuordnung ist. Es befinden sich also ungefähr 300.000 reale Objekte im Gürtel. Die Animation zeigt 300 zufällig angeordnete Objekte - ausschließlich zum Verständnis der Essenz.

Orbitalresonanz

Teil Drei - entferne kleine Planeten und füge Saturn zu Jupiter hinzu .

Die beiden größten Planeten, was auch immer Sie sagen, verdienen besondere Aufmerksamkeit. Sie haben eine ausgeprägte Orbitalresonanz - eine Situation, in der ihre Zirkulationsperioden aufgrund der Gravitationswechselwirkung als kleine natürliche Zahlen korreliert sind . Insbesondere für das Jupiter-Saturn-Paar beträgt das Periodenverhältnis 5: 2 (dh Saturn macht zwei Umdrehungen mit fünf Umdrehungen Jupiter).

Wir demonstrieren dieses Phänomen anhand von Animationen. Lassen Sie uns auf der Seite ein separates Div erstellen, in dem wir für jede Umdrehung für jede Umdrehung eine vertikale Markierung setzen. Die Markierungen von Jupiter (braun) werden oben und Saturn (blau) unten angezeigt. Tags werden auch mit svg gezeichnet.



Wenn wir die Animation starten, sehen wir eine allmähliche Divergenz der Beschriftungen. Tatsächlich ist dies das wahre Ergebnis: Wenn wir dieselbe Wikipedia lesen, verwerfen wir aus irgendeinem Grund in der Phrase „fast 5: 2“ das Wort „fast“. Und wir denken, dass das Sonnensystem wie ein Uhrwerk mit perfekt angepassten Zahnrädern ist. Aber die reale Welt ist noch komplizierter. Daher die Diskrepanz.

Riesenplaneten

Teil vier - Gasriesen auf der Bühne (Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun).

Wie wir sehen können, werden die Umlaufbahnen der Planeten noch größer und die Umlaufgeschwindigkeiten noch kleiner. Im Vergleich zur allerersten Animation ist die Zeit bereits 150 (!) Mal beschleunigt - so dass alles mehr oder weniger „atmet“.

In diesem Teil werden wir über Kometen sprechen, zumal sie nur mit Riesenplaneten verbunden sind. Astronomen unterteilen Kometen in kurz- und langperiodische (die erste Zirkulationsperiode beträgt weniger als 200 Jahre, die zweite mehr als 200). Darüber hinaus sind Kurzperioden wiederum in Familien von nur vier Planeten unterteilt - die Familie von Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Dies liegt daran, welcher der Planeten den größten Einfluss auf einen bestimmten Kometen hat. Natürlich gibt es viel Material über Kometen auf Wikipedia, und ich habe auch einen guten Artikel über Habré gefunden.

Um besser zu verstehen, was Familien sind, legen wir die Animation der Umlaufbahn für ein paar Kometen fest. Sei es zum Beispiel Comet Halley (rote Umlaufbahn) und Comet Enke (violette Umlaufbahn) - die allererste, für die Wissenschaftler die Bewegungsparameter berechnen konnten.



Für die korrekte Darstellung von Ellipsen in SVG musste ich ein wenig mit Bleistift und Papier sitzen und die Halbachsen der einen oder anderen Umlaufbahn berechnen. Natürlich kenne ich die spezifische Ausrichtung der Ellipsen nicht, daher sind sie nur nach links gerichtet. Trotzdem ist jetzt deutlich zu erkennen, warum der Komet Encke der Jupiter-Familie und Halley der Neptun-Familie zugeschrieben wird: Der erste „reicht“ nur bis zur Umlaufbahn des Jupiter und der zweite Neptun (wenn Sie möchten, können Sie mit sich selbst „herumspielen“ Verwenden Sie den Code und ersetzen Sie andere Kometen aus diesen oder anderen Familien - es wird angezeigt, wo die Umlaufbahnen ankommen.

Alle Planeten und darüber hinaus

In vier Animationen haben Sie und ich uns alle wichtigen Dinge im Sonnensystem angesehen - Planeten, Asteroiden, Kometen, Zonen und Gürtel. Letzteres muss noch diskutiert werden.

Das allgemeine Bild ist insofern interessant, als es zeigt, wie klein der Bereich unseres Systems ist, den wir untersucht und beherrscht haben. Der bekannte Kreis innerer Planeten ist nur ein mikroskopisch kleiner „Fleck“ in der Mitte. Die Umlaufbahn von Neptun ist die nächste Grenze, viel weiter entfernt. Und darum herum - ein riesiger "Spatium Incognita" - Kuipergürtel , der durch gestrichelte Linien begrenzt ist.



Ich würde gerne glauben, dass die Bestrebungen der Menschheit nicht durch diese magere Insel begrenzt bleiben, die von der Umlaufbahn des Mars umrissen wird. Selbst diese einfache HTML-Seite sagt, dass noch sehr, sehr viel interessantere Dinge vor uns liegen.