Theo NguyenDucThang Meslab.org
Nhân một cuộc tranh luận tại sao có mùa hạ mùa đông mới có ý mô phỏng chuyển động của trái đất. Xin trao đổi với các bạn cùng học Inventor để dân cơ khí chúng ta cũng "trên thông thiên văn, dưới tường địa lý".
Dữ liệu thiên văn:
Bán kính trái đất: 6378 km
Bán kính mặt trời: 696000 km
Khoảng cách trái đất mặt trời: từ 147 triệu đến 152 triệu km.
Quỹ đạo trái đất quanh mặt trời là elip với tâm sai rất nhỏ nên coi như tròn.
Trục quay của trái đất nghiêng so với pháp tuyến mặt phẳng quỹ đạo của nó một góc 23 độ 27 phút. Trong quá trình quay quanh mặt trời, trục quay của trái đất ở mọi vị trí trên quỹ đạo luôn song song với nhau.
Khi quay 1 vòng quay quanh mặt trời, trái đất đồng thời quay quanh trục của nó 365,25 vòng.
Tạo các chi tiết:
- Trục cố định 1: có mặt trên bằng mặt với tâm trái đất để làm chuẩn đặt mặt trời.
- Tay quay 2
- Mặt trời 3: dùng Sketch vẽ qũy đạo trái đất là hình tròn gắn với mặt trời.
- Trái đất 4: tạo lỗ đi qua hai cực và một mặt phẳng nhỏ ở cực để dễ lắp.
- Đế trái đất 5: có đường tâm trục và đường tâm lỗ tạo với nhau góc 23 độ 27 phút.
- Chụp tạo đêm 6: là nửa vỏ cầu có đường kính trong bằng đường kính trái đất, màu Blue clear trong mờ.
Lắp và chạy mô phỏng:
Tay quay 2 lắp Insert với trục 1 grounded.
Đế 5 lắp Insert với tay quay 2.
Trái đất 4 lắp Insert với lỗ của đế 5.
Mặt trời 3 lắp Mate với tâm mặt trên của trục 1.
Chụp 6 lắp với tay quay 2 ở vị trí ôm nửa bị tối của trái đất, bảo đảm cố định với tay quay 2 khi tay quay 2 quay, dùng ràng buộc Mate.
Dùng ràng buộc Angle giữa đế 5 và trục 1 để khi tay quay 2 quay, phương của lỗ trên đế 5 luôn cố định.
Dùng ràng buộc Rotation giữa tay quay 2 và trái đất 4 để bảo đảm tay quay quay 1 vòng thì trái đất 4 quay 365,25 vòng. Trái đất quay từ tây sang đông.
Dùng ràng buộc Angle giữa tay quay 2 và trục 1 tạo Drive constraint để chạy mô phỏng.
Dấu (chuột phải, bỏ Visibility) trục 1, tay quay 2, đế 5 và đặt màu nền là Gradient, Sky.
Xem mô phỏng:
[video=youtube;atf-vuDhC58]http://www.youtube.com/watch?v=atf-vuDhC58&feature=player_embedded[/video]
Nếu cho tay quay chạy nhanh quá thì sẽ thấy trái đất quay không đúng chiều và vận tốc, chắc là phần mềm không kịp tính.
Trên mô hình, kích thước của mặt trời và khoảng cách trái đất - mặt trời so với kích thước trái đất không theo đúng tỷ lệ để dễ quan sát trên màn hình.
► Trong triển lãm 1000 năm Thăng Long ở Giảng Võ, Hà Nội, gian của ngành Giáo dục có mô hình, đường kính khoảng 1m, mô phỏng chuyển động mặt trời - trái đất - mặt trăng gồm động cơ, truyền động cơ khí, đèn chiếu giả mặt trời ..., khá phức tạp và tốn kém. Có khi mô phỏng trên máy tính cho học trò xem còn rẻ tiền, dễ hiểu và giống thật hơn.
Bàn về thiên văn
Có các mùa trên trái đất là do trái đất quay quanh mặt trời và trục quay của trái đất nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo của nó. Trong quá trình quay quanh mặt trời, trục quay của trái đất ở mọi vị trí trên quỹ đạo luôn song song với nhau.
Hình trên, khi trái đất ở bên trái, phần bắc của trục trái đất nghiêng về phía mặt trời, một điểm ở bắc bán cầu (phần trên), trong một ngày đêm quay quanh trục trái đất theo đường vĩ tuyến, sẽ ở lâu hơn trong phần được chiếu sáng, tức ngày dài hơn đêm và đó là vào mùa hạ. Điểm ở gần cực bắc nằm trong vùng được chiếu sáng suốt 1 vòng quay nên ở đó vào mùa hạ mặt trời không bao giờ lặn, chỉ đi là là ở đường chân trời.
Ngày hạ chí ở bắc bán cầu, 22 tháng 6, khi trục trái đất đồng phẳng với trục quỹ đạo trái đất, là ngày có ngày dài nhất.
Trong khi đó một điểm ở nam bán cầu, khi quay theo đường vĩ tuyến, sẽ ở lâu hơn trong phần tối, tức đêm dài hơn ngày và đó là vào mùa đông. Điểm ở gần cực nam cả ngày đều là ban đêm, không được thấy mặt trời.
Lập luận như vậy khi trái đất ở bên phải hình trên sẽ thấy bắc bán cầu có mùa đông còn nam bán cầu có mùa hạ.
Ngày đông chí ở bắc bán cầu, 22 tháng 12, trục trái đất đồng phẳng với trục quỹ đạo trái đất, trái đất ở vị trí bên kia của mặt trời so với ngày hạ chí, là ngày có đêm dài nhất.
Điểm trên xích đạo của trái đất, vùng tối luôn chiếm nửa xích đạo, ngày luôn dài bằng đêm dù trái đất ở vị trí nào trên quỹ đạo, nên ở đó không có các mùa.
Ngày xuân phân (21 tháng 3) và ngày thu phân (23 tháng 9), trái đất ở vào khoảng giữa vị trí lúc hạ chí và đông chí, ngày dài bằng đêm cả ở hai bán cầu.
Nếu cho rằng có mùa hạ mùa đông vì quỹ đạo trái đất là elip, mặt trời nằm ở một trong 2 tiêu điểm, nên trái đất có lúc gần lúc xa mặt trời. Khi trái đất gần mặt trời, bị nóng hơn nên lúc đó là mùa hạ. Điều này không đúng vì quỹ đạo trái đất là elip gần như tròn, khoảng xa gần mặt trời chỉ chênh 3%. Ngoài ra lý do này không thể giải thích lúc bắc bán cầu là mùa hạ thì nam bán cầu là mùa đông.
Nhân một cuộc tranh luận tại sao có mùa hạ mùa đông mới có ý mô phỏng chuyển động của trái đất. Xin trao đổi với các bạn cùng học Inventor để dân cơ khí chúng ta cũng "trên thông thiên văn, dưới tường địa lý".
Dữ liệu thiên văn:
Bán kính trái đất: 6378 km
Bán kính mặt trời: 696000 km
Khoảng cách trái đất mặt trời: từ 147 triệu đến 152 triệu km.
Quỹ đạo trái đất quanh mặt trời là elip với tâm sai rất nhỏ nên coi như tròn.
Trục quay của trái đất nghiêng so với pháp tuyến mặt phẳng quỹ đạo của nó một góc 23 độ 27 phút. Trong quá trình quay quanh mặt trời, trục quay của trái đất ở mọi vị trí trên quỹ đạo luôn song song với nhau.
Khi quay 1 vòng quay quanh mặt trời, trái đất đồng thời quay quanh trục của nó 365,25 vòng.
Tạo các chi tiết:
- Trục cố định 1: có mặt trên bằng mặt với tâm trái đất để làm chuẩn đặt mặt trời.
- Tay quay 2
- Mặt trời 3: dùng Sketch vẽ qũy đạo trái đất là hình tròn gắn với mặt trời.
- Trái đất 4: tạo lỗ đi qua hai cực và một mặt phẳng nhỏ ở cực để dễ lắp.
- Đế trái đất 5: có đường tâm trục và đường tâm lỗ tạo với nhau góc 23 độ 27 phút.
- Chụp tạo đêm 6: là nửa vỏ cầu có đường kính trong bằng đường kính trái đất, màu Blue clear trong mờ.
Lắp và chạy mô phỏng:
Tay quay 2 lắp Insert với trục 1 grounded.
Đế 5 lắp Insert với tay quay 2.
Trái đất 4 lắp Insert với lỗ của đế 5.
Mặt trời 3 lắp Mate với tâm mặt trên của trục 1.
Chụp 6 lắp với tay quay 2 ở vị trí ôm nửa bị tối của trái đất, bảo đảm cố định với tay quay 2 khi tay quay 2 quay, dùng ràng buộc Mate.
Dùng ràng buộc Angle giữa đế 5 và trục 1 để khi tay quay 2 quay, phương của lỗ trên đế 5 luôn cố định.
Dùng ràng buộc Rotation giữa tay quay 2 và trái đất 4 để bảo đảm tay quay quay 1 vòng thì trái đất 4 quay 365,25 vòng. Trái đất quay từ tây sang đông.
Dùng ràng buộc Angle giữa tay quay 2 và trục 1 tạo Drive constraint để chạy mô phỏng.
Dấu (chuột phải, bỏ Visibility) trục 1, tay quay 2, đế 5 và đặt màu nền là Gradient, Sky.
Xem mô phỏng:
[video=youtube;atf-vuDhC58]http://www.youtube.com/watch?v=atf-vuDhC58&feature=player_embedded[/video]
Nếu cho tay quay chạy nhanh quá thì sẽ thấy trái đất quay không đúng chiều và vận tốc, chắc là phần mềm không kịp tính.
Trên mô hình, kích thước của mặt trời và khoảng cách trái đất - mặt trời so với kích thước trái đất không theo đúng tỷ lệ để dễ quan sát trên màn hình.
► Trong triển lãm 1000 năm Thăng Long ở Giảng Võ, Hà Nội, gian của ngành Giáo dục có mô hình, đường kính khoảng 1m, mô phỏng chuyển động mặt trời - trái đất - mặt trăng gồm động cơ, truyền động cơ khí, đèn chiếu giả mặt trời ..., khá phức tạp và tốn kém. Có khi mô phỏng trên máy tính cho học trò xem còn rẻ tiền, dễ hiểu và giống thật hơn.
Bàn về thiên văn
Có các mùa trên trái đất là do trái đất quay quanh mặt trời và trục quay của trái đất nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo của nó. Trong quá trình quay quanh mặt trời, trục quay của trái đất ở mọi vị trí trên quỹ đạo luôn song song với nhau.
Hình trên, khi trái đất ở bên trái, phần bắc của trục trái đất nghiêng về phía mặt trời, một điểm ở bắc bán cầu (phần trên), trong một ngày đêm quay quanh trục trái đất theo đường vĩ tuyến, sẽ ở lâu hơn trong phần được chiếu sáng, tức ngày dài hơn đêm và đó là vào mùa hạ. Điểm ở gần cực bắc nằm trong vùng được chiếu sáng suốt 1 vòng quay nên ở đó vào mùa hạ mặt trời không bao giờ lặn, chỉ đi là là ở đường chân trời.
Ngày hạ chí ở bắc bán cầu, 22 tháng 6, khi trục trái đất đồng phẳng với trục quỹ đạo trái đất, là ngày có ngày dài nhất.
Trong khi đó một điểm ở nam bán cầu, khi quay theo đường vĩ tuyến, sẽ ở lâu hơn trong phần tối, tức đêm dài hơn ngày và đó là vào mùa đông. Điểm ở gần cực nam cả ngày đều là ban đêm, không được thấy mặt trời.
Lập luận như vậy khi trái đất ở bên phải hình trên sẽ thấy bắc bán cầu có mùa đông còn nam bán cầu có mùa hạ.
Ngày đông chí ở bắc bán cầu, 22 tháng 12, trục trái đất đồng phẳng với trục quỹ đạo trái đất, trái đất ở vị trí bên kia của mặt trời so với ngày hạ chí, là ngày có đêm dài nhất.
Điểm trên xích đạo của trái đất, vùng tối luôn chiếm nửa xích đạo, ngày luôn dài bằng đêm dù trái đất ở vị trí nào trên quỹ đạo, nên ở đó không có các mùa.
Ngày xuân phân (21 tháng 3) và ngày thu phân (23 tháng 9), trái đất ở vào khoảng giữa vị trí lúc hạ chí và đông chí, ngày dài bằng đêm cả ở hai bán cầu.
Nếu cho rằng có mùa hạ mùa đông vì quỹ đạo trái đất là elip, mặt trời nằm ở một trong 2 tiêu điểm, nên trái đất có lúc gần lúc xa mặt trời. Khi trái đất gần mặt trời, bị nóng hơn nên lúc đó là mùa hạ. Điều này không đúng vì quỹ đạo trái đất là elip gần như tròn, khoảng xa gần mặt trời chỉ chênh 3%. Ngoài ra lý do này không thể giải thích lúc bắc bán cầu là mùa hạ thì nam bán cầu là mùa đông.
