Zgłoś uwagi
Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku Udostępnij materiał

Czy zdajesz sobie sprawę z tego, że nawet w tej chwili poruszasz się wraz z Ziemią dookoła osi ziemskiej? Wiesz, z jaką prędkością? Znacznie większą niż najszybsze bolidy Formuły 1! Mieszkańcy Polski razem z kulą ziemską pokonują w ciągu godziny 1000 kilometrów, a osoby przebywające na równiku nawet 1667 kilometrów w tym samym czasie.

Animacja przedstawia w 24 sekundy ruch obrotowy Ziemi, jaki wykonuje ona w ciągu 24 godzin. Na ekranie Ziemia widoczna z przestrzeni kosmicznej. Niebieski kolor na powierzchni Ziemi wskazuje na oceany i morza. Zielony, żółty i brązowy kolor to kontynenty. Ziemia przechylona w prawo. Na dole globu widoczna Antarktyda pokryta białym lądolodem. Białe przeźroczyste smugi to chmury. Ziemia obraca się cały czas w prawo. Z zachodu na wschód. W lewym dolnym rogu licznik czasu. Licznik pokazuje czas jednego pełnego obrotu.
Już wiesz
  • jakie jest miejsce Ziemi w Układzie Słonecznym;

  • jaki kształt ma Ziemia;

  • jakie Ziemia ma rozmiary.

Nauczysz się
  • przeliczać różnicę długości geograficznej pomiędzy dwoma punktami na kuli ziemskiej na różnicę czasu pomiędzy nimi;

  • wyznaczać kierunki geograficzne za pomocą gnomonu;

  • określać kierunek działania siły Coriolisa.

Przygotuj przed lekcją:
  • globus;

  • pręt lub prosty patyk, który posłuży do skonstruowania gnomonu.

1. W jakim kierunku i z jaką prędkością obraca się Ziemia?

Nagranie wideo przedstawia ruch obrotowy Ziemi. Na ekranie Ziemia widoczna z przestrzeni kosmicznej. Niebieski kolor na powierzchni Ziemi wskazuje na oceany i morza. Zielony kolor i żółty to kontynenty. Białe przeźroczyste smugi to chmury. Ziemia obraca się cały czas w prawo. Z zachodu na wschód.

Żyjąc na powierzchni Ziemi, trudno bezpośrednio obserwować ruchy naszej planety. Zauważamy jednak pozorny ruch Słońca ze wschodu na zachód, co jest konsekwencją ruchu obrotowego Ziemi dookoła własnej osi z zachodu na wschód. Pełen obrót trwa ok. 23 godzin 56 minut i 4 sekund. Czas ten nazywamy dobą gwiazdową. Bardziej nam znana jest tzw. doba słoneczna, która trwa kilka minut dłużej, niemal dokładnie 24 godziny. Jest to czas, jaki upływa między dwoma kolejnymi momentami południa słonecznego. Doba słoneczna jest zatem dłuższa od doby gwiazdowej. Wynika to z faktu, że Ziemia jednocześnie obraca się wokół własnej osi i obiega Słońce (patrz: Ruch obiegowy Ziemi). Aby nad danym punktem na powierzchni naszej planety – np. miejscem, w którym mieszkamy – po pełnym obrocie doszło do kolejnego górowania Słońca, Ziemia musi obrócić się wokół własnej osi o niemal 1° więcej niż 360°.

Doba słoneczna jest nieco dłuższa od doby gwiazdowej. Wynika to ze zjawiska obracania się Ziemi wokół własnej osi oraz jednoczesnego pokonywania odległości ok. 2,57 mln km po orbicie wokół Słońca. Innymi słowy, pomiędzy jednym południem a następnym Ziemia względem Słońca musi wykonać obrót o kąt 360° + 1°. W ten sposób w ciągu roku Ziemia wykonuje jeden dodatkowy obrót wokół własnej osi

Prędkość obrotu Ziemi jest oczywista, gdy podajemy ją w miarach kątowych. Prędkość kątowa to wielkość kąta zakreślonego przez dany punkt leżący na powierzchni Ziemi podczas ruchu po okręgu w jednostce czasu.
W przypadku Ziemi prędkość kątowa ma stałą wartość 360°/24h.

Trudniej jest podać prędkość liniową, czyli odległość pokonywaną przez punkt leżący na powierzchni Ziemi w jednostce czasu. Ta zależy bowiem od szerokości geograficznej, na której dany punkt leży. Im bliżej równika, tym równoleżniki są dłuższe, przez co prędkość liniowa jest większa. To dlatego mieszkańcy Polski poruszają się z prędkością ok. 1000 km/h, czyli 667 km/h wolniej od mieszkańców rejonów równikowych, którzy w tej samej jednostce czasu muszą pokonać znacznie dłuższą odległość liniową.

Prędkość liniowa punktów leżących w pobliżu równika jest dużo większa niż prędkość liniowa punktów położonych blisko biegunów. Prędkość zarówno liniowa, jak i kątowa biegunów jest równa zeru
Polecenie 1

Oblicz, o jaki kąt obraca się Ziemia w ciągu 1 godziny, a o jaki w ciągu 4 minut.

Polecenie 2

Obróć globus we właściwym kierunku o taki kąt, jaki Ziemia pokonuje w ciągu:

  1. 1 godziny,

  2. 12 godzin,

  3. 1 doby.

Ciekawostka

Atmosfera jest częścią Ziemi i porusza się razem z całą planetą. Gdyby było inaczej, to na całej planecie, z wyjątkiem biegunów, wiałyby huraganowe wiatry o niespotykanych prędkościach.

Ważne!

Obrót Ziemi dookoła własnej osi stał się źródłem takich jednostek czasu, jak: doba (24 godziny), godzina (1/24 doby), minuta (1/60 godziny) i sekunda (1/60 minuty).

2. Co to jest gnomon i jak za jego pomocą obserwować pozorną wędrówkę Słońca nad widnokręgiem?

Pozorny ruch Słońca nad widnokręgiem jest pośrednim dowodem na ruch obrotowy Ziemi. Możemy go zaobserwować każdego dnia.

Uwaga!

W żadnym wypadku nie wolno patrzeć bezpośrednio na Słońce bez skutecznej ochrony oczu! Poza wyjątkowymi momentami, gdy Słońce jest ledwo widoczne zza warstwy chmur, kierowanie wzroku na Słońce grozi bezpowrotnym uszkodzeniem wzroku, a nawet całkowitą ślepotą. Niebezpieczne jest nawet patrzenie na Słońce przy użyciu zbyt mało skutecznych osłon, jak np.: okulary przeciwsłoneczne, zadymione szkło, płyta CD lub klisza rentgenowska.

Sposobem na uniknięcie niebezpieczeństwa uszkodzenia wzroku podczas śledzenia pozornego ruchu Słońca jest obserwacja cienia rzucanego przez przedmioty oświetlone bezpośrednimi promieniami słonecznymi. Obserwując cień, wnioskujemy o pozornym ruchu Słońca. Każdy stosunkowo cienki, prosty i pionowy pręt wbity w ziemię staje się gnomonem, czyli przyrządem, którego cień wyznacza położenie Słońca. Długość i kierunek cienia gnomonu określają wysokość Słońca i jego azymut. Określając kierunki na podstawie cienia rzucanego przez gnomon, trzeba pamiętać, że w Polsce i na całym obszarze półkuli północnej poza strefą międzyzwrotnikową Słońce góruje zawsze po południowej stronie nieba. Rzucany wówczas przez gnomon w południe cień jest najkrótszy i wskazuje dokładnie kierunek północny. Wnioskujemy z tego, że nastąpił moment górowania Słońca (moment południa słonecznego). Położenie Słońca na niebie wskazuje wtedy kierunek południowy. Przedłużenie linii, jaką wyznacza wówczas cień gnomonu, jest południkiem miejscowym punktu, w którym wbity jest gnomon. Tylko dwukrotnie w ciągu roku (21 marca i 23 września) Słońce wschodzi dokładnie na wschodzie i zachodzi dokładnie na zachodzie. Gdyby udało się wówczas zaobserwować cień gnomonu w momencie wschodu lub zachodu Słońca, to przedłużenie linii tego cienia byłoby równoleżnikiem miejscowym, gdyż cień gnomonu wskazywałby kierunek wschód‑zachód.
Kierunki geograficzne za pomocą gnomonu można jednak bez trudu wyznaczać i w inne dni. Moment, w którym gnomon rzuca najkrótszy cień, wskazuje północ (N). W przeciwnym kierunku jest zatem południe (S). Pod kątem 90° w lewo od gnomonu jest zachód (W), a 90° w prawo jest wschód (E).

Cień rzucany przez gnomon w czasie południa słonecznego. Do wyznaczenia podstawowych kierunków świata w momencie górowania Słońca można wykorzystać też własny cień
Polecenie 3

Ustaw globus w świetle Słońca lub lampy. Obracaj powoli globusem wokół jego osi. W różnych momentach jego oświetlenia określ, które części globusa odpowiadają zjawisku ziemskiego dnia, a które nocy.

Obserwacja 1

Wykształcenie umiejętności prowadzenia obserwacji astronomicznych przy zastosowaniu gnomonu i umiejętności interpretowania uzyskanych wyników.

Co będzie potrzebne

gnomon, czyli prosty patyk, pręt lub słupek.

Instrukcja
  1. Obserwacje przeprowadź w słoneczny dzień.

  2. Ze względu na różnice długości geograficznej i przesunięcie wskazań zegarków na czas letni obserwacje prowadź między godziną 11.00 a 13.00.

  3. Zamontuj przedmiot, który będzie pełnił funkcję gnomonu. Możesz wykorzystać istniejący już słupek, pal lub inny pionowy, prosty, w miarę cienki przedmiot.

  4. Co chwilę zaznaczaj na podłożu miejsce, gdzie pada koniec cienia.

  5. Gdy cień zacznie się wydłużać, określ miejsce, w którym był najkrótszy, i połącz je z podstawą gnomonu. Zapisz, jaki kierunek wskazywał najkrótszy cień.

  6. Przedłuż tę linię w kierunku przeciwnym do wskazywanego przez najkrótszy cień od podstawy gnomonu i opisz wskazany przez nią kierunek.

  7. Narysuj linię prostopadłą do wyznaczonej wcześniej, przechodzącą przez podstawę gnomonu i opisz pozostałe kierunki.

Podsumowanie
  • Moment górowania Słońca jest dla większości miejsc w Polsce inny niż południe wskazywane przez zegarki.

  • Bez względu na dzień w kalendarzu i długość geograficzną w momencie górowania Słońca cień jest najkrótszy i wskazuje północ.

  • Umiejętność posługiwania się gnomonem pozwala w słoneczny dzień określić wszystkie kierunki geograficzne i wyznaczyć przebieg południka miejscowego.

W obszarze między zwrotnikami dwukrotnie w ciągu roku występuje zjawisko górowania Słońca w zenicie. Na równiku ma to miejsce 21 marca i 23 września. Na zwrotniku Raka Słońce w zenicie występuje tylko 22 czerwca, a na zwrotniku Koziorożca tylko 22 grudnia. Gdy Słońce góruje w zenicie, to gnomony w ogóle nie rzucają cienia.

Trzeba pamiętać, że w Polsce i na całym obszarze półkuli północnej poza strefą międzyzwrotnikową Słońce góruje zawsze po południowej stronie nieba. Natomiast w strefie międzyzwrotnikowej obu półkul przez część roku Słońce góruje po północnej stronie, a przez część po południowej. Na pozostałej części półkuli południowej Słońce przez cały rok góruje po północnej stronie nieba, a rzucany wówczas przez gnomon cień wskazuje kierunek południowy.

3. Konsekwencje ruchu obrotowego Ziemi

Wiemy już, że pozorny ruch Słońca po sferze niebieskiej jest spowodowany ruchem obrotowym Ziemi. Ruch ten niesie ze sobą jednak jeszcze kilka innych konsekwencji dla naszej planety, środowiska geograficznego i wszystkich istot żywych, w tym dla człowieka. Jedną z najbardziej oczywistych jest następstwo dnia i nocy. W trakcie każdej doby część Ziemi przez pewien czas zwrócona jest ku Słońcu i wówczas na tym obszarze panuje dzień. Następnie odwraca się od niego i wtedy na zacienionym obszarze zapada noc. Jednocześnie inna część kuli ziemskiej obraca się ku Słońcu i rozpoczyna się tam dzień.

Inną konsekwencją ruchu obrotowego jest istnienie czasu słonecznego (miejscowego). W tym samym momencie na jednym z południków jest południe słoneczne, po przeciwnej stronie kuli ziemskiej – północ, a na innych wszystkie pozostałe pory dnia i nocy.

Trudnym do obserwacji, ale naukowo udowodnionym skutkiem ruchu obrotowego jest także niewielkie spłaszczenie Ziemi na biegunach wynikające z działania siły odśrodkowej, powodującej, że Ziemia nie ma kształtu kuli.

W układzie obracającym się, jakim jest Ziemia, tor ruchu ciała poruszającego się po powierzchni ulega odchyleniu od linii prostej, ponieważ ciało to poddane jest działaniu tzw. siły Coriolisa. Siła ta powoduje odchylanie się toru ruchu poruszających się obiektów na półkuli północnej w prawo, a na półkuli południowej w lewo. Sile Coriolisa podlegają zarówno rzeki, wiatry i prądy morskie, jak i statki, samoloty oraz inne obiekty będące w ruchu. Oczywiście siła ta nie działa na obiekty pozostające w spoczynku.

Zjawisko to można wyjaśnić na przykładzie wielkich rzek, których prawe brzegi na półkuli północnej i lewe brzegi na półkuli południowej są bardziej podmywane przez wodę.
Jeśli rzeka płynie z południa na północ (na półkuli północnej), to woda w niej porusza się z okolicy, gdzie prędkość liniowa obracającej się (z zachodu na wschód) Ziemi jest większa, do miejsca, gdzie prędkość liniowa jest mniejsza. Ale woda nie jest sztywno związana z Ziemią i, płynąc na północ, zachowuje swoją większą prędkość liniową zwróconą oczywiście z zachodu na wschód, co w efekcie powoduje silniejsze podmywanie prawego (wschodniego) brzegu.
Jeśli rzeka płynie z północy na południe (na półkuli północnej), to oznacza, że woda w niej porusza się z okolicy o mniejszej tym razem prędkości liniowej do miejsca o prędkości większej. Stara się zachować mniejszą prędkość, ale brzegi rzeki poruszają się szybciej (z zachodu na wschód). Zatem teraz prawy (zachodni) brzeg rzeki będzie „pchał” wodę, a woda, oddziałując na niego, będzie go bardziej podmywała.
Na półkuli południowej zjawisko występuje analogicznie tylko odwrotnie.

Działanie siły Coriolisa powoduje, że ciała poruszające się na półkuli północnej odchylają się w prawo od swojego toru ruchu, a na półkuli południowej są „ściągane” w lewo
Ćwiczenie 1

Ustal, w którym kierunku (N, S, W czy E) siła Coriolisa spycha samolot lecący z punktu o współrzędnych 50°N, 20°E do punktu o współrzędnych 10°N, 20°E.

Ćwiczenie 2

Ustal, w którym kierunku (N, S, W czy E) siła Coriolisa spycha samolot lecący z punktu o współrzędnych 10°S, 20°E do punktu o współrzędnych 50°S, 20°E.

Podobnie jak woda w wielkich rzekach także wiatry na półkuli północnej będą spychane w prawo, a na półkuli południowej – w lewo. Inną konsekwencją działania siły Coriolisa jest kierunek wirowania powietrza w cyklonach. Na półkuli północnej wirują one przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, a na półkuli południowej zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

Podsumowanie

  • Ziemia obraca się wokół własnej osi o 360° w ciągu ok. 24 godzin.

  • Pozorna wędrówka Słońca po niebie jest widoczną codziennie konsekwencją ruchu obrotowego Ziemi.

  • Gnomon umożliwia nam przeprowadzenie wielu obserwacji astronomicznych.

  • Następstwo dnia i nocy, zróżnicowanie czasu słonecznego, spłaszczenie kuli ziemskiej i siła Coriolisa są konsekwencjami dowodzącymi ruchu obrotowego Ziemi.

Praca domowa
Polecenie 4.1

Przeprowadź obserwację gnomonu w okolicy swojego domu. Wyznacz podstawowe kierunki geograficzne i zapamiętaj położenie na widnokręgu obiektów wskazujących północ, południe, wschód i zachód z punktu widzenia obserwatora.

Polecenie 4.2

Dlaczego siła Coriolisa nie działa na obiekty pozostające w spoczynku?

Słowniczek

czas słoneczny (miejscowy)

rachuba czasu związana z lokalnym południkiem miejsca obserwacji; wzdłuż jednego południka czas jest taki sam; obliczamy go na podstawie momentu górowania Słońca nad tym południkiem

doba gwiazdowa

okres obrotu Ziemi wokół własnej osi, czyli ok. 23 h 56 min 4,091 s

doba słoneczna

okres pomiędzy dwoma kolejnymi górowaniami Słońca nad określonym południkiem; średnia długość przyjęta umownie za wartość stałą wynosi 24 godziny

gnomon

zwykle jest to pręt, kolumna lub prosty kij wbity w ziemię, którego cień wskazuje położenie Słońca; to jeden z najstarszych i najprostszych przyrządów astronomicznych; precyzyjnie skonstruowane i ustawione gnomony są przyrządami astronomicznymi albo częściami zegarów słonecznych

górowanie Słońca

moment, w którym w ciągu doby Słońce znajduje się na maksymalnej wysokości kątowej nad horyzontem; moment ten bywa nazywany także południem słonecznym

południe słoneczne

moment, w którym w ciągu doby Słońce znajduje się na maksymalnej wysokości kątowej nad horyzontem; moment ten bywa nazywany także górowaniem Słońca

południk miejscowy

południk lokalny przechodzący przez dane miejsce na powierzchni Ziemi

prędkość kątowa

wielkość opisująca ruch obrotowy, równa kątowi zakreślonemu przez jakiś punkt podczas ruchu po okręgu w jednostce czasu

prędkość liniowa

wielkość oznaczająca przebytą drogę w jednostce czasu, np. odległość przebyta w ciągu minuty

równoleżnik miejscowy

równoleżnik przechodzący przez dane miejsce na powierzchni Ziemi

ruch obrotowy Ziemi

obracanie się Ziemi wokół własnej osi z zachodu na wschód

sfera niebieska

kulista, istniejąca w wyobraźni sfera o nieokreślonym promieniu, która otacza obserwatora śledzącego ciała niebieskie i daje złudzenie, że wszystkie znajdują się w jednakowej, wielkiej odległości, jakby przylepione do tej sfery

siła Coriolisa

powoduje odchylenie toru ruchu ciała poruszającego się w układzie obracającym się od linii prostej; ponieważ Ziemia obraca się z zachodu na wschód, siła Coriolisa powoduje odchylenie w prawo (z punktu widzenia poruszającego się obiektu) toru ciała poruszającego się na półkuli północnej, a w kierunku lewym na półkuli południowej

zenit

punkt na sferze niebieskiej znajdujący się dokładnie ponad pozycją obserwatora

Zadania

Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5
Ćwiczenie 6
Ćwiczenie 7
Ćwiczenie 8
Ćwiczenie 9
Ćwiczenie 10