Ziemia ma potężne pole grawitacyjne, które przyciąga nie tylko obiekty znajdujące się na jej powierzchni, ale także te obiekty kosmiczne, które z jakiegoś powodu znajdują się w jej pobliżu. Jeśli jednak tak jest, to jak wytłumaczyć fakt, że sztuczne satelity wystrzelone przez człowieka na orbitę ziemską nie spadają na jej powierzchnię?
Zgodnie z prawami fizyki każdy obiekt znajdujący się na orbicie Ziemi musi spaść na jej powierzchnię, przyciągany przez jej pole grawitacyjne. Wszystko to jest prawdą, ale tylko wtedy, gdy planeta miała kształt idealnej kuli, a na obiekty znajdujące się na jej orbicie nie działały żadne siły zewnętrzne. W rzeczywistości tak nie jest. Ziemia, w wyniku obrotu wokół własnej osi, jest nieco nadęta na równiku i spłaszczona na biegunach. Ponadto na sztuczne satelity wpływają siły zewnętrzne pochodzące ze Słońca i Księżyca. Z tego powodu nie spadają na powierzchnię Ziemi.
Utrzymuje się je na orbicie właśnie dlatego, że nasza planeta nie ma idealnego kształtu. Pole grawitacyjne emanujące z Ziemi ma tendencję do przyciągania do siebie satelitów, uniemożliwiając to samo Księżycowi i Słońcu. Siły grawitacyjne działające na satelity ulegają kompensacji, w wyniku czego parametry ich orbit nie ulegają zmianie. Gdy zbliżają się do biegunów, grawitacja Ziemi maleje, a siła grawitacji Księżyca staje się większa. Satelita zaczyna się przesuwać w jej kierunku. Podczas przejścia przez strefę równika sytuacja staje się dokładnie odwrotna.
Istnieje rodzaj naturalnej korekty orbity sztucznych satelitów. Z tego powodu nie spadają. Ponadto pod wpływem grawitacji Ziemi satelita będzie latał po zaokrąglonej orbicie, próbując zbliżyć się do powierzchni Ziemi. Ale ponieważ Ziemia jest okrągła, powierzchnia ta będzie stale od niej uciekać.
Fakt ten można wykazać na prostym przykładzie. Jeśli przywiążesz ciężarek do liny i zaczniesz obracać go po okręgu, to będzie on ciągle próbował od ciebie uciec, ale nie będzie w stanie tego zrobić, trzymając się liny, która w stosunku do satelitów jest analogiem grawitacji Ziemi . To ona utrzymuje na swojej orbicie satelity, które próbują polecieć w przestrzeń kosmiczną. Z tego powodu na zawsze będą krążyć wokół planety. Chociaż jest to czysto teoria. Istnieje ogromna liczba dodatkowych czynników, które mogą zmienić tę sytuację i spowodować upadek satelity na Ziemię. Z tego powodu korekta orbity jest stale przeprowadzana na tej samej ISS.
Dlaczego satelita nie spada na Ziemię?
To pytanie można usłyszeć często. Jakościową odpowiedź na to pytanie można uzyskać, korzystając z następującego eksperymentu myślowego. Załóżmy, że na Ziemi znajduje się góra o wysokości 200 km i wspinasz się na jej szczyt. Rzuć kamień ze szczytu góry. Im bardziej się huśtasz, tym dalej poleci kamień. Najpierw spadnie na zbocze góry, potem u jej podnóża, a na koniec punkt jej upadku zniknie gdzieś za horyzontem. Zakładamy oczywiście, że masz iście herkulesową siłę (co oczywiście znacznie ułatwiło czyste górskie powietrze). Możesz rzucić kamień tak, aby spadł po przeciwnej stronie Ziemi, a nawet u podnóża góry, ale po drugiej stronie, okrążając Ziemię, jeszcze trochę wysiłku, a kamień krążący wokół Ziemi zagwizdnie nad Twoim głowę, zamieniając się w coś w rodzaju bumerangu. I tak teraz połącz lot kamienia z pytaniem – dlaczego satelita nie spadnie na Ziemię.
Powyższy eksperyment myślowy pokazuje, że satelita w sposób ciągły spada na Ziemię. Nie zdziw się, spada i próbuje zetknąć się z powierzchnią Ziemi. O co chodzi? Załóżmy, że Ziemia jest kulista, jej pole jest centralne, a lot satelitów odbywa się bezpośrednio nad jej powierzchnią, powiedzmy, na wysokości jednego metra. Teoretycznie można na to pozwolić. Na ryc. 21 do końca OA wskazuje promień orbity kołowej satelity. Niech w pewnym momencie satelita znajdzie się w punkcie A, a jego prędkość lotu będzie skierowana wzdłuż linii AB, prostopadle do promienia OA.
Gdyby nie było grawitacji ziemskiej, to po pewnym czasie satelita znalazłby się w punkcie B, leżącym na kontynuacji wektora prędkości, i oddaliłby się od punktu A na odległość AB. Jednak pod wpływem grawitacji Ziemi tor jej lotu zostanie zakrzywiony i w związku z tym satelita wyląduje w pewnym punkcie C. Oznacza to, że jeśli weźmiemy pod uwagę lot satelity ze stałą prędkością z jednoczesnym „spadkiem” w kierunku Ziemi w wyniku biorąc pod uwagę jego powagę, nie otrzymujemy nic więcej niż ruch rondowy. Teraz staje się jasne, dlaczego satelita nie dociera do powierzchni Ziemi: o ile satelita odbiega od ruchu prostoliniowego pod wpływem sił grawitacyjnych Ziemi, powierzchnia Ziemi „odchyla się” od linii prostej ze względu na jej kulistość. Mówiąc obrazowo, satelita nieustannie próbuje dotrzeć do powierzchni Ziemi, a powierzchnia Ziemi zakrzywiona ucieka przed nim. Proces ten trwa przez cały lot, w wyniku czego satelita nie może dotrzeć do powierzchni Ziemi. Nie dziwi jednak paradoksalny charakter tego zjawiska; można znaleźć dla niego przyzwoitą „ziemską” analogię. Przypomnij sobie eksperyment, w którym rozważałeś obrócenie ciężarka na rozciągniętej strunie. Podczas rotacji cały czas przyciągasz ciężarek za pomocą sznurka, ale mimo to nigdy nie dociera on do Twojej ręki i wcale Cię to nie dziwi. Coś podobnego dzieje się w skali kosmicznej: siła grawitacji Ziemi jest liną, która utrzymuje satelitę i zmusza go do obrotu wokół Ziemi.
Albo dlaczego satelity nie spadają? Orbita satelity zapewnia delikatną równowagę pomiędzy bezwładnością a grawitacją. Siła grawitacji stale przyciąga satelitę do Ziemi, podczas gdy bezwładność satelity utrzymuje jego ruch prosto. Gdyby nie było grawitacji, bezwładność satelity wysłałaby go bezpośrednio z orbity Ziemi w przestrzeń kosmiczną. Jednak w każdym punkcie orbity grawitacja utrzymuje satelitę na uwięzi.
Aby osiągnąć równowagę pomiędzy bezwładnością i grawitacją, satelita musi mieć ściśle określoną prędkość. Jeśli leci zbyt szybko, bezwładność pokonuje grawitację i satelita opuszcza orbitę. (Obliczanie tzw. drugiej prędkości ucieczki, która pozwala satelitowi opuścić orbitę okołoziemską, odgrywa ważną rolę przy wystrzeliwaniu międzyplanetarnych stacji kosmicznych.) Jeśli satelita porusza się zbyt wolno, grawitacja wygra walkę z bezwładnością i satelita spaść na Ziemię. Tak właśnie stało się w 1979 roku, kiedy amerykańska stacja orbitalna Skylab zaczęła podupadać w wyniku rosnących oporów górnych warstw atmosfery ziemskiej. Złapana w żelazny uścisk grawitacji, stacja wkrótce spadła na Ziemię.
Prędkość i dystans
Ponieważ grawitacja Ziemi słabnie wraz z odległością, prędkość wymagana do utrzymania satelity na orbicie zmienia się wraz z wysokością. Inżynierowie mogą obliczyć, jak szybko i jak wysoko powinien orbitować satelita. Przykładowo satelita geostacjonarny, znajdujący się zawsze nad tym samym punktem powierzchni Ziemi, musi wykonać jedno okrążenie w ciągu 24 godzin (co odpowiada czasowi jednego obrotu Ziemi wokół własnej osi) na wysokości 357 kilometrów.
Grawitacja i bezwładność
Równowagę satelity pomiędzy grawitacją a bezwładnością można symulować, obracając ciężarek na przymocowanej do niego linie. Bezwładność ładunku ma tendencję do odsuwania go od środka obrotu, podczas gdy napięcie liny, działając jako grawitacja, utrzymuje ładunek na orbicie kołowej. Jeśli lina zostanie przecięta, ładunek odleci po prostej drodze prostopadłej do promienia jej orbity.
Ziemia ma ponad tysiąc działających satelitów. A jeśli nie zatrzymamy naszego rozwoju, ich liczba może do końca stulecia wzrosnąć o rząd wielkości. Mimo to, sama przyczyna ich stosunkowo pomyślnego funkcjonowania, jak się okazuje, nie jest do końca jasna. Tak, tak, właściwie powinny upaść.
Wyobraź sobie kulistą Ziemię w próżni. W tym wariancie na orbity satelitów nie wpływają czynniki zakłócające i mogą one pozostać tam, nad naszymi głowami, niemal na zawsze.
Gdyby Ziemia była tak okrągła jak na zdjęciu, grawitacja Księżyca wyrzuciłaby z orbity każdego satelitę bez potężnych silników z noniuszem w ciągu kilku miesięcy. (Ilustracja: Shutterstock)
Prawdziwa Ziemia również żyje w próżni, ale nie jest ona ściśle kulista. Do tego ma Księżyc – ciało, które swoją grawitacją wprowadza główny chaos w nieprzyjazną rodzinę satelitów okołoplanetarnych i śmieci kosmicznych. Bezpośrednie zastosowanie praw mechaniki niebieskiej do wpływu Księżyca na sztuczne obiekty w przestrzeni prowadzi do wniosku, że powinno to w krótkim czasie doprowadzić do wpadnięcia takich ciał do atmosfery ziemskiej i ich późniejszego spalenia.
Jeśli instynktownie zerknąłeś na swój nawigator, aby upewnić się, że satelity GPS/GLONASS jeszcze nie spadły Ci na głowę, rozumiemy Cię. Sytuacja wygląda trochę tajemniczo. Jaki rodzaj oszczędzającej siły utrzymuje te wszystkie tony żelaza na wysokości?
Znani Scott Tremaine i Tomer Yavetz z Princeton University (USA) poważnie zainteresowali się tym zagadnieniem i za pomocą modelowania komputerowego próbowali dowiedzieć się, co zapobiega uderzaniu satelitów w niebiański firmament Ziemi. Według obliczeń winę za to ponosi wspomniana wcześniej „niesferyczność” naszej planety, a także wpływ Słońca.
Nasza planeta, jeśli pamiętacie, jest lekko spłaszczona na biegunach i lekko wypukła wzdłuż równika, co jest naturalnym efektem jej obrotu. I ten właśnie równikowy „napływ” tworzy taki dodatek do grawitacji Ziemi, obliczonej dla kuli, że jakikolwiek wpływ Księżyca lub innych dużych obiektów jest kompensowany i ten czy inny satelita nie może szybko przesunąć się w żadnym kierunku, zwykle trwa to kilka lat na orbicie.
Co więcej, gdyby nie było grawitacyjnego wpływu Słońca, samo to nie wystarczyłoby, aby zrekompensować wpływ Księżyca. I tylko te łabędzie, raki i szczupaki utrzymują wózek statku kosmicznego bliskiego Ziemi w miejscu, zapobiegając jego ześlizgnięciu się do wąwozu ziemskiej atmosfery.
Ilustracja autorstwa Shutterstock.
Co ciekawe, obliczenia wyraźnie pokazują: gdyby nasza planeta znalazła się nieco bliżej kuli, satelity nieuchronnie i stosunkowo szybko opuściłyby swoje orbity. Z jednej strony uchroniłoby to nas oczywiście przed niektórymi śmieciami kosmicznymi. Z drugiej strony, jaki pożytek z lawety, która poluje na wszystkie samochody na drodze, a nie tylko te niedbale zaparkowane?
Przygotowano z NewScientist. Zdjęcie powitalne dzięki uprzejmości Shutterstock.
Dziś możemy wyjść z domu wczesnym rankiem lub wieczorem i zobaczyć jasną stację kosmiczną przelatującą nad naszymi głowami. Chociaż podróże kosmiczne stały się powszechną częścią współczesnego świata, dla wielu ludzi przestrzeń i związane z nią problemy pozostają tajemnicą. Na przykład wiele osób nie rozumie, dlaczego satelity nie spadają na Ziemię i nie latają w kosmos?
Fizyka elementarna
Jeśli wyrzucimy piłkę w powietrze, wkrótce powróci ona na Ziemię, tak jak każdy inny obiekt, taki jak samolot, kula, a nawet balon.
Aby zrozumieć, dlaczego statek kosmiczny może okrążyć Ziemię bez upadku, przynajmniej w normalnych okolicznościach, musimy przeprowadzić eksperyment myślowy. Wyobraź sobie, że jesteś na nim, ale nie ma powietrza ani atmosfery. Musimy pozbyć się powietrza, aby nasz model był tak prosty, jak to tylko możliwe. Teraz będziesz musiał mentalnie wspiąć się na szczyt wysokiej góry z bronią, aby zrozumieć, dlaczego satelity nie spadają na Ziemię.
Zróbmy eksperyment
Lufę celujemy dokładnie poziomo i strzelamy w stronę zachodniego horyzontu. Pocisk wyleci z lufy z dużą prędkością i poleci na zachód. Gdy tylko pocisk opuści lufę, zacznie zbliżać się do powierzchni planety.
Gdy kula armatnia szybko przesunie się na zachód, uderzy w ziemię w pewnej odległości od szczytu góry. Jeśli nadal będziemy zwiększać moc działa, pocisk spadnie na ziemię znacznie dalej od miejsca ostrzału. Ponieważ nasza planeta ma kształt kuli, za każdym razem, gdy kula opuści lufę, spadnie dalej, ponieważ planeta również nadal obraca się wokół własnej osi. Dlatego satelity nie spadają na Ziemię pod wpływem grawitacji.
Ponieważ jest to eksperyment myślowy, możemy zwiększyć siłę ognia broni. Przecież możemy sobie wyobrazić sytuację, w której pocisk porusza się z tą samą prędkością co planeta.
Przy tej prędkości, bez spowalniającego go oporu powietrza, pocisk będzie nadal krążył wokół Ziemi w nieskończoność, stale opadając w stronę planety, ale Ziemia również będzie nadal spadać z tą samą prędkością, jakby „uciekając” przed pociskiem. Stan ten nazywany jest swobodnym spadkiem.
W rzeczywistości
W prawdziwym życiu wszystko nie jest tak proste, jak w naszym eksperymencie myślowym. Teraz musimy uporać się z oporem powietrza, który powoduje, że pocisk zwalnia, ostatecznie pozbawiając go prędkości potrzebnej do utrzymania się na orbicie i uniknięcia upadku na Ziemię.
Nawet w odległości kilkuset kilometrów od powierzchni Ziemi nadal występuje pewien opór powietrza, który oddziałuje na satelity i stacje kosmiczne i powoduje ich spowolnienie. Opór ten ostatecznie powoduje, że statek kosmiczny lub satelita przedostaje się do atmosfery, gdzie zwykle spala się w wyniku tarcia z powietrzem.
Gdyby stacje kosmiczne i inne satelity nie miały przyspieszenia, które umożliwiłoby im wyniesienie ich wyżej na orbitę, wszystkie bezskutecznie spadłyby na Ziemię. W ten sposób prędkość satelity jest dostosowywana tak, aby opadał w kierunku planety z tą samą prędkością, z jaką planeta oddala się od satelity. Dlatego satelity nie spadają na Ziemię.
Interakcja planet
Ten sam proces dotyczy naszego Księżyca, który porusza się po orbicie swobodnej wokół Ziemi. Co sekundę Księżyc zbliża się do Ziemi o około 0,125 cm, ale jednocześnie powierzchnia naszej kulistej planety przesuwa się o tę samą odległość, omijając Księżyc, więc pozostają one na swoich orbitach względem siebie.
W orbitach i swobodnym spadaniu nie ma nic magicznego; wyjaśniają one jedynie, dlaczego satelity nie spadają na Ziemię. To tylko grawitacja i prędkość. Ale jest to niezwykle interesujące, podobnie jak wszystko inne związane z kosmosem.