Bumi mempunyai medan graviti yang kuat yang menarik bukan sahaja objek yang terletak di permukaannya, tetapi juga objek angkasa yang, atas sebab tertentu, mendapati diri mereka berada berdekatan dengannya. Tetapi jika ini benar, maka bagaimana untuk menjelaskan fakta bahawa satelit buatan yang dilancarkan oleh manusia ke orbit bumi tidak jatuh di permukaannya?
Mengikut undang-undang fizik, mana-mana objek yang terletak di orbit bumi mesti jatuh ke permukaannya, tertarik oleh medan gravitinya. Semua ini benar-benar benar, tetapi hanya jika planet itu mempunyai bentuk sfera yang ideal, dan tiada daya luar bertindak ke atas objek yang terletak di orbitnya. Sebenarnya, ini tidak begitu. Bumi, disebabkan oleh putarannya di sekeliling paksinya sendiri, agak melambung di khatulistiwa dan diratakan di kutub. Selain itu, satelit buatan dipengaruhi oleh kuasa luar yang terpancar dari Matahari dan Bulan. Atas sebab ini, mereka tidak jatuh ke permukaan Bumi.
Mereka disimpan di orbit dengan tepat kerana planet kita tidak ideal dalam bentuk. Medan graviti yang terpancar dari Bumi cenderung menarik satelit kepada dirinya sendiri, menghalang Bulan dan Matahari daripada melakukan perkara yang sama. Daya graviti yang bertindak pada satelit diberi pampasan, akibatnya parameter orbit mereka tidak berubah. Apabila mereka menghampiri kutub, graviti Bumi menjadi kurang, dan daya graviti Bulan menjadi lebih besar. Satelit mula beralih ke arahnya. Semasa laluannya melalui zon khatulistiwa, keadaan menjadi betul-betul bertentangan.
Terdapat sejenis pembetulan semula jadi orbit satelit buatan. Atas sebab ini mereka tidak jatuh. Selain itu, di bawah pengaruh graviti bumi, satelit akan terbang dalam orbit bulat, cuba mendekati permukaan bumi. Tetapi oleh kerana Bumi adalah bulat, permukaan ini akan sentiasa lari daripadanya.
Fakta ini boleh ditunjukkan dengan contoh mudah. Jika anda mengikat beban pada tali dan mula memutarkannya dalam bulatan, maka ia akan sentiasa cuba melarikan diri daripada anda, tetapi tidak dapat melakukan ini, dipegang oleh tali, yang, berhubung dengan satelit, adalah analog graviti Bumi . Dialah yang memegang satelit di orbit mereka yang cuba terbang ke angkasa lepas. Atas sebab ini, mereka akan selama-lamanya berputar di sekitar planet ini. Walaupun, ini adalah teori semata-mata. Terdapat sejumlah besar faktor tambahan yang boleh mengubah keadaan ini dan menyebabkan satelit jatuh ke Bumi. Atas sebab ini, pembetulan orbit sentiasa dijalankan pada ISS yang sama.
Mengapa satelit tidak jatuh ke Bumi?
Soalan ini sering didengari. Jawapan kualitatif untuk ini boleh diperoleh menggunakan eksperimen pemikiran berikut. Mari kita anggap bahawa terdapat gunung setinggi 200 km di Bumi dan anda mendaki ke puncak. Lemparkan batu dari puncak gunung. Semakin banyak anda berayun, semakin jauh batu itu akan terbang. Pertama, ia akan jatuh di sisi gunung, kemudian di kakinya, dan, akhirnya, titik kejatuhannya akan hilang di suatu tempat di luar ufuk. Sudah tentu, kami menganggap bahawa anda mempunyai kekuatan yang benar-benar Herculean (yang, sudah tentu, sangat difasilitasi oleh udara gunung yang bersih). Anda boleh melontar batu supaya ia jatuh di seberang Bumi dan juga di kaki gunung, tetapi di sisi lain, mengelilingi Bumi Satu lagi usaha kecil dan batu itu, mengelilingi Bumi, akan bersiul di atas anda kepala, bertukar menjadi sejenis bumerang Dan jadi Sekarang sambungkan penerbangan batu dengan soalan - mengapa satelit tidak jatuh ke Bumi.
Percubaan pemikiran di atas menunjukkan bahawa satelit terus jatuh ke Bumi. Jangan terkejut, ia jatuh dan cuba bersentuhan dengan permukaan Bumi. Apa masalahnya? Mari kita anggap bahawa Bumi adalah sfera, medannya adalah pusat, dan penerbangan satelit berlaku terus di atas permukaannya, katakan, pada ketinggian satu meter. Secara teorinya, ini boleh dibenarkan. Dalam Rajah. 21 melalui OA menunjukkan jejari orbit bulat satelit. Biarkan pada suatu ketika satelit berada di titik A dan kelajuan penerbangannya diarahkan sepanjang garis AB, berserenjang dengan jejari OA.
Jika tiada graviti Bumi, maka selepas beberapa masa yang singkat satelit itu akan berakhir di titik B, terletak di atas kesinambungan vektor halaju, dan akan bergerak dari titik A ke jarak AB. Tetapi disebabkan oleh graviti Bumi, laluan penerbangannya akan bengkok dan oleh itu satelit akan berakhir pada satu titik C. Ini bermakna apabila kita mempertimbangkan penerbangan satelit pada kelajuan tetap dengan "kejatuhan" serentak ke arah Bumi disebabkan kepada gravitinya, kita tidak mendapat apa-apa selain daripada Edaran Bulatan. Sekarang menjadi jelas mengapa satelit tidak sampai ke permukaan Bumi: dengan berapa banyak satelit menyimpang dari gerakan rectilinear akibat pengaruh daya graviti Bumi, permukaan Bumi akan "menyimpang" dari garis lurus kerana sferanya. Secara kiasan, satelit secara berterusan nampaknya cuba mencapai permukaan Bumi, dan permukaan Bumi, melengkung, melarikan diri daripadanya. Dan proses ini berterusan sepanjang penerbangan, akibatnya satelit tidak dapat mencapai permukaan Bumi. Walau bagaimanapun, sifat paradoks fenomena ini tidak menghairankan; analogi "duniawi" yang baik boleh didapati untuknya. Ingat percubaan apabila anda mempertimbangkan untuk memutarkan pemberat pada rentetan terulur. Semasa proses putaran, anda sentiasa menarik berat ke arah anda dengan bantuan tali, tetapi ia tidak pernah sampai ke tangan anda dan ini tidak mengejutkan anda sama sekali. Sesuatu yang serupa berlaku pada skala kosmik: daya graviti Bumi ialah tali yang memegang satelit dan menjadikannya berputar mengelilingi Bumi.
Atau mengapa satelit tidak jatuh? Orbit satelit adalah keseimbangan yang halus antara inersia dan graviti. Daya graviti terus menarik satelit ke arah Bumi, manakala inersia satelit cenderung untuk mengekalkan pergerakannya lurus. Jika tiada graviti, inersia satelit akan menghantarnya terus dari orbit Bumi ke angkasa lepas. Walau bagaimanapun, pada setiap titik di orbit, graviti mengekalkan satelit ditambatkan.
Untuk mencapai keseimbangan antara inersia dan graviti, satelit mesti mempunyai kelajuan yang ditetapkan dengan ketat. Jika ia terbang terlalu cepat, inersia mengatasi graviti dan satelit meninggalkan orbit. (Mengira apa yang dipanggil halaju melarikan diri kedua, yang membolehkan satelit meninggalkan orbit Bumi, memainkan peranan penting dalam pelancaran stesen angkasa antara planet.) Jika satelit bergerak terlalu perlahan, graviti akan memenangi perjuangan menentang inersia dan satelit akan jatuh ke Bumi. Inilah yang berlaku pada tahun 1979, apabila stesen orbit Amerika Skylab mula merosot akibat rintangan yang semakin meningkat pada lapisan atas atmosfera bumi. Terperangkap dalam cengkaman besi graviti, stesen itu segera jatuh ke Bumi.
Kelajuan dan jarak
Oleh kerana graviti Bumi semakin lemah dengan jarak, kelajuan yang diperlukan untuk mengekalkan satelit di orbit berbeza mengikut ketinggian. Jurutera boleh mengira berapa pantas dan berapa tinggi satelit harus mengorbit. Sebagai contoh, satelit geostasioner, sentiasa terletak di atas titik yang sama di permukaan bumi, mesti membuat satu orbit dalam 24 jam (yang sepadan dengan masa satu revolusi Bumi mengelilingi paksinya) pada ketinggian 357 kilometer.
Graviti dan inersia
Pengimbangan satelit antara graviti dan inersia boleh disimulasikan dengan memutarkan beban pada tali yang dipasang padanya. Inersia beban cenderung untuk memindahkannya dari pusat putaran, manakala ketegangan tali, bertindak sebagai graviti, mengekalkan beban dalam orbit bulat. Jika tali dipotong, beban akan terbang di sepanjang laluan lurus berserenjang dengan jejari orbitnya.
Bumi mempunyai lebih daripada seribu satelit yang berfungsi. Dan jika kita tidak berhenti dalam pembangunan kita, bilangan mereka mungkin meningkat dengan urutan magnitud menjelang akhir abad ini. Walaupun begitu, sebab untuk fungsi mereka yang agak berjaya, ternyata, tidak sepenuhnya jelas. Ya, ya, sebenarnya mereka sepatutnya jatuh.
Bayangkan Bumi sfera dalam vakum. Dalam pilihan ini, orbit satelit tidak dipengaruhi oleh faktor yang mengganggu, dan ia boleh kekal di sana, di atas kepala kita, hampir selama-lamanya.
Jika Bumi adalah bulat seperti dalam gambar, graviti Bulan akan membuang mana-mana satelit dari orbit tanpa enjin vernier yang berkuasa dalam beberapa bulan. (Ilustrasi oleh Shutterstock)
Bumi sebenar juga hidup dalam vakum, tetapi ia tidak sfera sepenuhnya. Di samping itu, ia mempunyai Bulan - badan yang, dengan gravitinya, memperkenalkan gangguan utama ke dalam keluarga satelit mengelilingi dan serpihan angkasa yang tidak mesra. Penerapan langsung undang-undang mekanik cakerawala terhadap pengaruh Bulan pada objek buatan di angkasa membawa kepada kesimpulan bahawa ia sepatutnya dalam masa yang singkat membawa kepada kejatuhan jasad tersebut ke atmosfera bumi dengan pembakaran seterusnya.
Jika anda secara naluriah mengerling ke arah navigasi anda untuk memastikan bahawa satelit GPS/GLONASS belum lagi jatuh ke atas kepala anda, maka kami memahami anda. Keadaan itu kelihatan agak misteri. Apakah jenis daya penjimatan yang menahan semua tan besi ini pada ketinggian?
Scott Tremaine dan Tomer Yavetz yang terkenal dari Princeton University (AS) mula berminat dengan isu ini dan mencuba, menggunakan pemodelan komputer, untuk mengetahui perkara yang menghalang satelit daripada terhempas ke langit langit Bumi. Menurut pengiraan, "ketidaksferaan" yang disebutkan di atas planet kita, serta pengaruh Matahari, harus dipersalahkan untuk ini.
Planet kita, jika anda masih ingat, sedikit rata di kutub dan sedikit cembung di sepanjang khatulistiwa, yang merupakan hasil semula jadi daripada putarannya. Dan "kemasukan" yang sangat khatulistiwa ini mencipta tambahan kepada graviti bumi, yang dikira untuk sfera, bahawa sebarang pengaruh Bulan atau objek besar lain mendapat pampasan dan satu atau satelit lain tidak boleh beralih dengan cepat ke satu arah, biasanya mempunyai beberapa tahun. dalam orbit.
Selain itu, jika tiada pengaruh graviti Matahari, maka ini sahaja tidak akan mencukupi untuk mengimbangi pengaruh Bulan. Dan hanya angsa, udang karang dan pike ini yang memegang pedati kapal angkasa dekat Bumi di tempatnya, menghalangnya daripada tergelincir ke dalam jurang atmosfera bumi.
Ilustrasi oleh Shutterstock.
Adalah menarik bahawa pengiraan menunjukkan dengan jelas: jika planet kita lebih dekat sedikit dengan sfera, satelit tidak dapat dielakkan dan agak cepat meninggalkan orbitnya. Di satu pihak, ini, sudah tentu, akan menyelamatkan kita daripada beberapa serpihan angkasa. Sebaliknya, apa gunanya trak tunda yang memburu semua kereta di jalan raya, dan bukan hanya yang diletakkan secara tidak berhati-hati?
Disediakan daripada NewScientist. Imej percikan ihsan Shutterstock.
Hari ini kita boleh melangkah keluar dari rumah kita pada awal pagi atau petang dan melihat stesen angkasa yang terang terbang di atas kepala. Walaupun perjalanan angkasa lepas telah menjadi sebahagian daripada dunia moden, bagi kebanyakan orang ruang angkasa dan isu-isu yang mengelilinginya kekal sebagai misteri. Jadi, sebagai contoh, ramai orang tidak faham mengapa satelit tidak jatuh ke Bumi dan terbang ke angkasa?
Fizik asas
Jika kita membaling bola ke udara, ia akan kembali ke Bumi tidak lama lagi, sama seperti objek lain, seperti kapal terbang, peluru, atau bahkan belon.
Untuk memahami mengapa kapal angkasa dapat mengorbit Bumi tanpa jatuh, sekurang-kurangnya dalam keadaan biasa, kita perlu melakukan eksperimen pemikiran. Bayangkan anda berada di atasnya tetapi tiada udara atau atmosfera. Kita perlu menyingkirkan udara supaya kita boleh membuat model kita semudah mungkin. Sekarang, anda perlu mendaki secara mental ke puncak gunung tinggi dengan pistol untuk memahami mengapa satelit tidak jatuh ke Bumi.
Jom buat eksperimen
Kami menghalakan laras senapang tepat mendatar dan menembak ke arah ufuk barat. Peluru akan terbang keluar dari muncung dengan kelajuan tinggi dan menuju ke barat. Sebaik sahaja peluru meninggalkan tong, ia akan mula menghampiri permukaan planet.
Apabila bola meriam bergerak dengan pantas ke barat, ia akan mengenai tanah agak jauh dari puncak gunung. Jika kita terus meningkatkan kuasa pistol, peluru akan jatuh ke tanah lebih jauh dari titik tembakan. Oleh kerana planet kita berbentuk seperti bola, setiap kali peluru meninggalkan muncung, ia akan jatuh lebih jauh kerana planet itu juga terus berputar pada paksinya. Inilah sebabnya mengapa satelit tidak jatuh ke Bumi kerana graviti.
Memandangkan ini adalah percubaan pemikiran, kita boleh menjadikan tembakan senjata lebih kuat. Lagipun, kita boleh bayangkan situasi di mana peluru bergerak pada kelajuan yang sama seperti planet.
Pada kelajuan ini, tanpa rintangan udara untuk memperlahankannya, peluru akan terus mengorbit Bumi selama-lamanya kerana ia terus jatuh ke arah planet, tetapi Bumi juga akan terus jatuh pada kelajuan yang sama, seolah-olah "melarikan diri" peluru. Keadaan ini dipanggil jatuh bebas.
Dalam amalan
Dalam kehidupan sebenar, semuanya tidak semudah dalam eksperimen pemikiran kita. Sekarang kita perlu berurusan dengan rintangan udara, yang menyebabkan peluru itu perlahan, akhirnya merompaknya daripada kelajuan yang diperlukan untuk kekal di orbit dan mengelakkan jatuh ke Bumi.
Walaupun pada jarak beberapa ratus kilometer dari permukaan Bumi, masih terdapat beberapa rintangan udara yang bertindak ke atas satelit dan stesen angkasa dan menyebabkan ia menjadi perlahan. Seretan ini akhirnya menyebabkan kapal angkasa atau satelit memasuki atmosfera, di mana ia biasanya terbakar akibat geseran dengan udara.
Jika stesen angkasa dan satelit lain tidak mempunyai pecutan untuk menolaknya lebih tinggi di orbit, mereka semua akan jatuh ke Bumi dengan tidak berjaya. Oleh itu, kelajuan satelit dilaraskan supaya ia jatuh ke arah planet pada kelajuan yang sama seperti planet melengkung menjauhi satelit. Inilah sebabnya mengapa satelit tidak jatuh ke Bumi.
Interaksi planet
Proses yang sama berlaku untuk Bulan kita, yang bergerak dalam orbit jatuh bebas mengelilingi Bumi. Setiap saat, Bulan menghampiri Bumi kira-kira 0.125 cm, tetapi pada masa yang sama, permukaan planet sfera kita beralih dengan jarak yang sama, mengelak Bulan, jadi relatif antara satu sama lain mereka kekal dalam orbitnya.
Tiada apa-apa yang ajaib tentang orbit atau jatuh bebas; ia hanya menjelaskan mengapa satelit tidak jatuh ke Bumi. Ia hanya graviti dan kelajuan. Tetapi ia sangat menarik, sama seperti segala-galanya yang berkaitan dengan ruang.