Aardrijkskunde 5de Jaar - Kosmos: Beweging - PDF

KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE INHOUD HEMELMECHANICA...................................................................................................................... 3 BEWEGENDE, DRAAIENDE BOLLETJES…...................................................

KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE INHOUD HEMELMECHANICA...................................................................................................................... 3 BEWEGENDE, DRAAIENDE BOLLETJES….................................................................................................. 4 ALGEMENE KENMERKEN VAN ROTATIE.................................................................................................. 9 ALGEMENE KENMERKEN VAN REVOLUTIE............................................................................................ 11 SYNTHESE: STAND VAN ZAKEN… AARDE............................................................................................... 17 Figuur 1 – Wiskundige benadering van de hemel (Diderot, 18de eeuw) Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 1 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE Je zou - zoals elke student vanaf de derde graad lijkt aan te nemen - kunnen denken dat alles rondom jou draait. Niet dus. Maar zoals in de meeste klassen lijkt te gelden, is ‘stilzitten’ in ons heelal duidelijk ook geen optie meer. Want alles in de ruimte lijkt wel in beweging te zijn! Dit benoemden we al gedeeltelijk in een eerder hoofdstuk (Structuur van het Heelal). Time to feel the rhythm and start moving again! Vele hemellichamen hebben immers een eigen beweging. Geef er alvast enkele. Met andere woorden: Wat beweegt er zoal in de hemel en welke beweging maakt het? Commented [MC1]: ANTWOORD: Vele antwoorden zijn mogelijk: Aarde draait rond zon. ________________________________________________________________________________ De maan draait rond aarde. Een satelliet draait rond de aarde. De zon draait rond centrum van de melkweg. ________________________________________________________________________________ De aarde draait rond z’n eigen as. Een komeet draait rond de zon. Een vallende ster zoeft door de atmosfeer (en draaide eerder ________________________________________________________________________________ richting de aarde).... ________________________________________________________________________________ We beginnen dit hoofdstuk met wat hemelmechanica… dat klinkt al ‘spooky’. Maar geen zorgen, meestal zijn deze (eenvoudige) hemelbewegingen te koppelen aan simpele basisprincipes van die ‘good old’ fysica en zit er wel ergens een vertrouwde cirkelvorm in. Het heelal begint zo meer en meer op een doorgedreven Spirograph-oefening1 te lijken. 1 Weten jullie niet meer wat een Spirograph is? Google it, lazy b*stards. #DamnImGettingOld Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 2 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE HEMELMECHANICA De hemelmechanica is de tak van de sterrenkunde die de bewegingen bestudeert die we aan de hemel kunnen waarnemen en de (wiskundige) wetten die deze bewegingen dirigeren, probeert te achterhalen. Geen paniek! We blijven ver weg van de achterliggende (maar essentiële) wiskundige berekeningen van al deze ontdekkingen. Maar kijk toch eens wat een mooie figuren! Figuur 2 – Wiskundige voorstelling van hemelmechanica, specifiek de wetten van Kepler2 Commented [MC2]: OPMERKING: Deze figuur is zuiver ter illustratie. Zeker geen leerstof (!) maar toont de wiskundigheid waarmee beweging in het heelal kan worden beschreven. 2 Voor de nerds: De “wetten van Kepler” zijn drie natuurkundige wetten, die de baan en beweging En dit is eigenlijk nog maar een heel simpele wiskundige tekening... van een hemellichaam om een ander hemellichaam beschrijven in het ‘tweelichamenprobleem’. Voorbeelden zijn: planeten rond een ster, een satelliet rond een planeet, de Maan rond de Aarde, dubbelsterren om elkaar en kometen om de Zon. De Wetten van Kepler zijn opgesteld door Johannes Kepler en maken deel uit van de klassieke mechanica. Kepler publiceerde de eerste twee wetten in zijn Astronomia nova seu Physica coelestis, Nieuwe Sterrenkunde of Hemelnatuurkunde (1609), en de derde wet in Harmonice mundi, Wereldharmonie (1619). Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 3 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE BEWEGENDE, DRAAIENDE BOLLETJES… Vrijwel alle structuren in het heelal (o.a. clusters, sterrenstelsels, sterren, planeten, manen en planetoïden) zijn ooit ontstaan door het samenklonteren van kleinere brokstukken. Die brokstukken zijn weer gevormd doordat afzonderlijke atomen en moleculen zich eerder samenvoegden. Uiteindelijk is elk hemellichaam dus het resultaat van een opeenhopingsproces van ontelbare kleine deeltjes. Klein + klein + klein + … = uiteindelijk groot. Al die deeltjes zullen aanvankelijk een eigen bewegingssnelheid en bewegingsrichting hebben gehad. Dat betekent dat zelfs een wolk van afzonderlijke gasdeeltjes in het heelal - losjes bijeengehouden door de zwaartekracht - al een zekere (interne) beweging zal vertonen. De zwaartekracht trekt de deeltjes nog wat dichterbij elkaar. Aangezien er altijd wat meer deeltjes naar één bepaalde kant zullen gaan, volgen de anderen stilaan mee naar deze richting en… we zijn vertrokken aan onze draai! Traag… maar we draaien! Gaan we naar links of rechts? Figuur 3 – Voorstelling van het ontstaan van een planetenstelsel met het samenklonteren van brokstukken in een schijfvormige zone rond een ster. Zijn er dan stilstaande objecten in het heelal? Waarschijnlijk niet. Enkel wanneer àlle beginsnelheden en -richtingen van al deze miljarden deeltjes elkaar éxact zouden opheffen (met telkens dus een beweging en een perfect tegengestelde beweging) zou er een situatie kunnen ontstaan zonder enige beweging. Maar die kans is dus quasi onbestaande. Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 4 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE Figuur 4 – Voorstelling van het samentrekken van een wolk/nevel door de zwaartekracht, het Commented [MC3]: OPMERKING: ontstaan van een draaiing, het afplatten van de wolk en de vorming van planeten. Eventueel de vectoren van de zwaartekracht (naar centrum van de wolk) toevoegen aan figuur. Dit is de meest gangbare hypothese rond de ‘geboorte’ van een zonnestelsel/planetenstelsel. Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 5 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE Wanneer de wolk onder z’n eigen zwaartekracht nog verder ineenkrimpt, neemt de draaisnelheid ook toe als gevolg van de “wet van behoud van rotatie- impulsmoment”. Dit is dezelfde natuurwet die ervoor zorgt dat een kunstschaatser/kunstschaatsster sneller gaat draaien wanneer hij/zij tijdens een pirouette zijn/haar armen naar zich toetrekt. Alles dichter bij het centrum? Dat zijn hogere snelheden! Bovendien raakt de wolk ook afgeplat, als gevolg van de “middelpuntvliedende/centrifugale kracht”. Hetzelfde principe gebruikt een geoefend Italiaans kok bij het platter zwieren van een draaiend pizzadeeg. We slingeren alles platter en platter! Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 6 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE En hierdoor krijg je dus die ‘typische’ sterrenkundige draaiende situaties 3waarbij: (1) ‘Bijeengetrokken’ bolletjes (o.a. sterren, planeten, manen,…)… (2) … zelf ook ronddraaien rond zichzelf terwijl ze … (3) … een cirkelvormig pad afleggen binnen een … (4) … plat, schijfvormig gebied. Voorbeelden genoeg: een draaiend sterrenstelsel, ons bewegend zonnestelsel, de maan in haar beweging rond de aarde, de aarde die rond zichzelf draait,… Alles lijkt nu goed in beweging! Figuur 5 – Voorstelling van de samengestelde bewegingen in ons zonnestelsel en hun tijdsduur. 3 Voor de nerds: “Waarom beweegt het zonnestelsel zoals het beweegt?” lijkt binnen deze cursus beantwoord. Maar maak je geen illusies! Zelfs dit beperkte aspect binnen onze cursus kent nog steeds een turbulente (en zelf in beweging zijnde) discussie binnen de astronomische wetenschapswereld: Hoe snel kromp de wolk? Hoe snel vormde de eerste planeet zich? Waarom wijken sommige planeten af van wat computermodellen voorspellen? Waarom draaien alle planeten in dezelfde richting? Had de gaswolk een invloed qua wrijving op de draairichting van een beginnende planeet? Olala… uuuren leesplezier/luisterplezier eens je bent vertrokken! Enkele tips: The Grand Tack- hypothese, het Nice-model, Pebble accretion (kiezelmodel),… Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 7 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE Dat staat ons toe de twee bewegingen die wij gaan behandelen in deze cursus even duidelijker weer te geven: 1. ROTATIE = Het draaien rond je eigen as 2. REVOLUTIE = Het draaien rond een centraal ander object Deze twee bewegingen zullen de ‘kapstok’ vormen voor dit gehele thema/hoofdstuk. Allereerst gaan we even dieper in op wat basiseigenschappen van de bewegingen zelf, voor we specifiek naar de aardrotatie en aardrevolutie gaan kijken (en de gevolgen van deze bewegingen). Figuur 6 – Voorstelling van het zonnestelsel (binnenste en buitenste) met de rotatie- en revolutiebewegingen van de planeten (en zon) Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 8 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE ALGEMENE KENMERKEN VAN ROTATIE “Draaien rond je eigen as” klinkt misschien wat onbekend, maar er zijn 101 simpele voorbeelden van te bedenken: een ballerina als ze een pirouette maakt, een basketbal laten ronddraaien op je vinger, eens uit verveling een toertje maken op je draaiende bureaustoel, die heerlijke hoop kebab-vlees die je toelacht vanuit de machine als je een dürüm bestelt,… Deze beweging noemt men de rotatie van een lichaam. Uiteraard zijn er veel verschillen in de rotatiesnelheden en de plaatsing van de (denkbeeldige) rotatie-as op te merken, ook binnen ons zonnestelsel. Quasi alle hemellichamen roteren. Denk dus niet dat enkel de vaste (binnen)planeten deze eigenschap bezitten. Zoals je misschien opmerkt op de vorige pagina hebben de gasplaneten (Jupiter, Saturnus,…) ook een rotatiebeweging. Zelfs de zon roteert ! 4 Figuur 7 – Rotatiebeweging van de zon (met verschil in snelheden) Commented [MC4]: OPMERKING: Merk het verschil in rotatiesnelheid op in de figuur. 4 Voor de nerds: Omdat de zon bestaat uit plasma (superverhit gas) is, roteert ze wel niet zoals een vaste stof. De zon draait eigenlijk sneller aan haar evenaar dan aan haar polen. De zon draait eenmaal per 24 dagen aan de evenaar, maar slechts één keer per 35 in de buurt van haar polen. We weten dit door te kijken naar de beweging van zonnevlekken en andere zonnefuncties die over de zon bewegen. Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 9 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE Door allerlei verstoringen (o.a. botsingen, zwaartekrachtseffecten, …) kan de rotatiesnelheid en -richting van een hemellichaam later natuurlijk allerlei veranderingen ondergaan. Kijk maar eens naar arme Venus… Commented [MC5]: OPMERKING: Aandacht voor de stand van Venus en Uranus Let op de waanzinnig trage rotatietijd van Venus Waarschijnlijk gaan deze planeten bij de vroege ontwikkeling van ons zonnestelsel een ‘tik” hebben gekregen van een planeetachtig object en zo dus uit balans zijn getikt. Hemellichaam Rotatietijd Zon 25 d, 9 u, 7 m, 11 s Mercurius 58 d, 15 u, 30 m, 30 s Venus 243 d, 0 u, 26 m Aarde 0 d, 23 u, 56 m, 4 s Mars 1 d, 0 u, 37 m, 22 s Jupiter 0 d, 9 u, 50 m, 30 s Saturnus 0 d, 10 u, 14 m Uranus 0 d, 17 u, 14 m, 24 s Neptunus 0 d, 16 u, 6 m, 36 s Pluto 6 d, 9 u, 17 m, 32 s Figuur 8 – Voorstelling van de rotatie-assen van de planeten van ons zonnestelsel + Tabel met de rotatietijden (voor 1 rotatie) per hemellichaam. Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 10 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE ALGEMENE KENMERKEN VAN REVOLUTIE Tijd voor een volgende beweging: voor een revolutie ben je al met (minimum) twee ‘danspartners’. In de meest voordehand liggende situatie draait (een lichtere) partner A hierbij een toertje rond (een zwaardere) partner B. Zoals: de maan (A) rond de aarde (B); of de aarde (A) rond de zon (B); of de zon (A) rond het centrum van de Melkweg (o.a. zwart gat) (B). Het lijkt misschien voor ons soms omgekeerd, alsof de zon rond de aarde beweegt (vanuit ons oogpunt), maar intussen is meer dan voldoende bewezen dat het net andersom is. De aarde heeft dus een revolutiebeweging rond de zon. Tijd voor wat vaktermen: - Het pad dat wordt gevolgd, noemt men de baan. - De tijd die nodig is voor één volledige toer, noemt men de omlooptijd. - De richting waarin men draait, noemt men de zin. - Het denkbeeldig vlak waar de baan op ligt, noemt men het eclipticavlak Figuur 9 – Voorstelling van de revolutie van de aarde met de baan, zin en ecliptica. Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 11 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE Ter info – we dansen samen… Binnen de astronomie is (puur wetenschappelijk gezien) “object A draait rond object B” wat te simplistisch gesteld om een revolutie te omschrijven – zo lijkt het dat object A slechts ‘ondergaat’ en object B ‘de baas’ is. Eigenlijk draaien beide voorwerpen (aangezien ze een massa/zwaartekracht bezitten en dus élk aan elkander ‘trekken’) rond een gemeenschappelijk (denkbeeldig) punt: het barycentrum of massamiddelpunt. Als object B veel zwaarder is dan object A zal dit massamiddelpunt uiteraard dicht bij het centrum van object B gelegen zijn. Zo bevindt het massamiddelpunt van onze “Aarde-Maan-dans” zich ongeveer 1.000 km onder onze voeten (maar dus wel 5.000 km verwijderd van het eigenlijke centrum onze aarde). Als beide objecten gelijkende massa’s bezitten (bvb. Pluto en z’n maan Charon, dubbelsterren,…) dan gaat dit centrum zich ergens tussen beide objecten bevinden. Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 12 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE De afgelegde banen zijn ook nooit helemaal perfect cirkelvormig, veelal zijn ze min of meer elliptisch (ovaal). Hierdoor is bijvoorbeeld de afstand van de aarde tot de zon doorheen het jaar niet altijd even groot: ▪ 152.097.597 km in het aphelium (verste punt) ▪ 147.098.450 km in het perihelium (dichtste punt5). Een verschil van bijna 5.000.000 km! Figuur 10 – Voorstelling van de ellipsvormige baan rond de zon met aanduiding van het dichtste (perihelium) en verste punt (aphelium) Maar wel opletten met dit soort voorstellingen! De bovenstaande figuur is zeer handig om het concept ‘ellips’ uit te leggen, maar je moet nu niet gaan denken dat we allemaal als zwiepende super-ovalen door het zonnestelsel zoeven. De afwijking op de perfecte cirkelvorm valt (mede door de grote afstanden in het heelal) best wel mee, zoals de figuren op de volgende pagina duidelijk maken. Maar toch… 5.000.000 km, het is niet niets. 5 Als je denkt dat je deze getallen perfect moet vanbuiten kennen… met wat ben je dan bezig?! Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 13 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE Aarde Cirkel Commented [MC6]: OPMERKING: Merk op, de aarde staat in haar PERIHELIUM wanneer wij WINTER Pluto hebben. Perihelium: het punt op de aardbaan waarbij de aarde het dichtst bij de zon staat. Aphelium: het punt op de aardbaan waarbij de aarde het verst verwijderd is van de zon. Figuur 11 – Voorstelling van de vorm van een perfecte cirkel (midden), de baan van de aarde rond de zon (boven, e=0,0167), de baan van Pluto rond de zon (onder, e=0,248) Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 14 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE Euh? Deze figuur zagen we toch al eens? Ahja (!), maar ook dat ecliptica-vlak van de planeten staat hierop te zien! Alle planeten met hun baan in datzelfde vlak. Enkel Pluto… die haalt rare toeren uit. Commented [MC7]: OPMERKING: Eventueel het ECLIPTICA-VLAK arceren. Hemellichaam Revolutietijd Revolutietijd Revolutietijd (aardse dagen) (aardse jaren) (‘eigen’ dagen) Mercurius 88 dagen +- 0.24 jaar 1,50 Mecuriusdagen Venus 225 dagen +- 0.61 jaar 0,93 Venusdag Aarde 365 dagen 1 jaar 365 (Aardse) dagen Mars 687 dagen +- 2 jaar 660 Marsdagen Jupiter 4.333 dagen +- 12 jaar 10.316 Jupiterdagen Saturnus 10.759 dagen +- 29 jaar 23.389 Saturnusdagen Uranus 30.687 dagen +- 84 jaar 43.221 Uranusdagen Neptunus 60.190 dagen +- 165 jaar 89.835 Neptunusdagen Pluto 90.560 dagen +- 248 jaar 14.216 Plutodagen Figuur 12 – Voorstelling van de baanvlakken van de planeten van ons zonnestelsel + Tabel met de revolutietijden (voor 1 revolutie) 6 per hemellichaam 6 Voor de nerds: Berekend op drie manieren: (1) hoelang een revolutie duurt in ‘aardse dagen’ (links). (2) hoelang een revolutie duurt in ‘aardse’ jaren (midden). (3) hoelang een revolutie duurt in ‘eigen dagen’ met hierbij de eigen rotatietijd van de planeet ten opzichte van eigen revolutie (rechts). Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 15  KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE Bekijk bovenstaande video en beantwoord de bijhorende vragen: Commented [MC8]: OPMERKING: Sommige vragen met dit symbool zullen worden gesteld op het Hoeveel planeten zijn er? www.youtube.com/watch?v=Tl4-2WI47Gs&ab examen. Tegen het examen dus voorbereiden. Maar een beperkt antwoord is voldoende (zeker gaan paragrafen aan materiaal voorbereiden). 1. Hoe (welke techniek) werd de eerste exoplaneet ontdekt? 2. Waarom zijn exoplaneten moeilijk om te ontdekken? 3. Zijn alle exoplaneten leefbaar – waarom wel/niet? Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 16 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE SYNTHESE: STAND VAN ZAKEN… AARDE Tot slot brengen we even alle gegevens samen in onderstaande figuur: - De rotatie-as van de aarde, die door de denkbeeldige noord- en zuidpool gaat. - De (hemel)evenaar van de aarde, die loodrecht staat op de aardas. - Een stukje van de baan van de aarde, met de omlooprichting aangeduid. - Het eclipticavlak waarin de aarde rond de zon draait. Hopelijk zie je nu wel al dat de evenaar van onze aarde en het vlak waarin de aarde rond de zon draait niet samenvallen maar een knik vertonen van ongeveer 23,5° (“ashelling” op de tekening). Hierover later meer… Maar hey! 23,5°? Is dat niet het getal van de breedteligging van de Kreeftskeerkring? Hmmm? To be continued. Figuur 13 – Synthese-figuur van de stand van de aarde. Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 17 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE Wat zeker mee te nemen uit dit hoofdstuk? Wat moet ik kennen? - Vaktermen uit de cursus7. - Rotatie- en revolutietijd van de Aarde. Wat moet ik kunnen? - Op een (basis)figuur volgende elementen kunnen tekenen en/of benoemen: aardas, baan, (hemel)evenaar, eclipticavlak. Wat moet ik begrijpen of verder kunnen uitleggen? - Alle didactische tekeningen8. - Dat een ‘draaibeweging’ in het heelal vaak voorkomt (rotatie of revolutie). - Dat een ‘draaibeweging’ in het heelal een logisch gevolg is van basisprincipes uit de fysica (nl. samentrekken door zwaartekracht, rotatie-impulsmoment en middelpuntvliedende kracht). - Dat rotatie en revolutie samen voorkomen als beweging, maar eigenlijk los van elkaar moeten worden gezien (bvb. rotatiesnelheid en revolutiesnelheid kunnen sterk verschillen voor hetzelfde hemellichaam). - Alle bijkomende verplichte lectuur/video’s (aangeduid met symbool). 7 Verduidelijking: Deze termen kunnen worden gebruikt in vragen/teksten en je moet dan weten wat ze betekenen. Er gaan wel geen klassieke “Geef de definitie van…”- vragen gesteld worden, dus ‘klakkeloos van buiten leren’ is niet nuttig. 8 Verduidelijking: De toegevoegde figuren/foto’s/… in de cursus zijn zelden “bladvulling”. Ik ga er dus van uit dat je van alle beeldmateriaal begrijpt wat erop staat en hoe het in verband staat met de leerstof. Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 18 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 19 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 20 KOSMOS – DEEL 2: BEWEGING IN HET HEELAL - INTRODUCTIE Aardrijkskunde 5de jaar – Kosmos: Beweging | Coninx & De Wit 21