Земля має потужне гравітаційне поле, яке притягує до себе не тільки предмети, що знаходяться на її поверхні, а й ті космічні об'єкти, які, з якихось причин, опиняються в безпосередній від неї близькості. Але якщо це так, то як пояснити той факт, що запущені людиною на земну орбіту штучні супутники не падають на її поверхню?
Відповідно до законів фізики, будь-який предмет, що знаходиться на земній орбіті, обов'язково має впасти на її поверхню, притягнувши її гравітаційним полем. Все це абсолютно справедливо, але тільки в тому випадку, якби планета мала форму ідеальної сфери, і об'єкти, що знаходяться на її орбіті, не діяли б сторонні сили. Насправді це не так. Земля, зважаючи на обертання навколо власної осі, дещо роздута на екваторі, і сплюснута на полюсах. До того ж, на штучні супутники діють сторонні сили, що виходять від Сонця та Місяця. Тому і не відбувається їх падіння на поверхню Землі.
На орбіті вони утримуються саме тому, що наша планета не ідеальна формою. Гравітаційне поле, що виходить від Землі, прагне притягнути до себе супутники, не дозволяючи Місяцю і Сонцю зробити те ж саме. Відбувається компенсація гравітаційних сил, що діють на супутники, внаслідок чого параметри їх орбіт не змінюються. Під час їхнього наближення до полюсів земна гравітація стає меншою, а сила тяжіння Місяця більша. Супутник починає зміщуватися у її бік. Під час його проходження через зону екватора ситуація стає прямо протилежною.
Відбувається природна корекція орбіти штучних супутників. Тому вони й не падають. Крім того, під дією земної гравітації супутник літатиме по округленій орбіті, намагаючись наблизитися до земної поверхні. Але так як Земля кругла, то ця поверхня постійно від нього втікатиме.
Цей факт можна продемонструвати простому прикладі. Якщо прив'язати до мотузки грузик і почати його обертати по колу, то він постійно прагнутиме від вас втекти, але не може цього зробити, утримуваний мотузкою, що, стосовно супутників, є аналогом земної гравітації. Саме вона утримує на своїй орбіті, які прагнуть відлетіти у відкритий космос супутники. З цієї причини вони і вічно обертатимуться навколо планети. Хоча це чисто теорія. Існує безліч додаткових факторів, які здатні змінити цю ситуацію, і змусити супутник впасти на Землю. Тому на тій же МКС постійно проводиться корекція орбіти.
Чому супутник не падає на землю?
Таке питання можна почути часто. Якісну відповідь на нього можна отримати за допомогою наступного уявного ескперименту. Припустімо, що на Землі є гора заввишки 200 км і ви піднялися на її вершину. Кинути камінь з вершини гори. Чим сильніше ви розмахнетесь, тим далі летітиме камінь. Спочатку він падатиме на схилі гори, потім біля її підошви і, нарешті, точка його падіння сховається десь за горизонтом. Звичайно, ми припускаємо, що ви маєте справді геркулесівську силу (чому, зрозуміло, чимало сприяло чисте гірське повітря). Ви можете камінь кинути і так, що він впаде на протилежному боці Землі і навіть біля підошви гори, але з іншого боку, облетівши Землю. Ще невелике зусилля і камінь, облетівши Землю, просвистить над вашою головою, перетворившись на своєрідний бумеранг. тепер зв'яжіть політ каменю з питанням – а чому супутник не падає на Землю.
Наведений уявний експеримент показує, що супутник безупинно падає Землю. Не дивуйтеся, що саме падає і намагається зіткнутися з поверхнею Землі. В чому справа? Припустимо, що Земля має форму кулі, поле її центральне і політ супутників відбувається безпосередньо над її поверхнею, скажімо, на висоті один метр. Теоретично таке можна допустити. На рис. 21 через ОАпозначений радіус кругової орбіти супутника. Нехай у певний момент супутник знаходиться в точці А і швидкість його польоту спрямована вздовж лінії АВ перпендикулярної радіусу ОА.
Якби не було тяжіння Землі, то через деякий час супутник опинився б у точці В, що лежить на продовженні вектора швидкості., і пішов би від точки А на відстань АВ. Але за рахунок тяжіння Землі його траєкторія польоту скривиться і тому супутник опиниться в деякій точці С. А це означає, що коли ми розглядаємо політ супутника з постійною швидкістю з одночасним "падінням" до Землі за рахунок її тяжіння, то отримуємо не що інше, як круговий рух. Ось тепер стає зрозумілим, чому супутник не досягає поверхні Землі: наскільки супутник відхилиться від прямолінійного руху за рахунок впливу сил тяжіння Землі, настільки поверхня Землі за рахунок сферичності "відійде" від прямої лінії. Образно кажучи, супутник безперервно намагається досягти поверхні Землі, а поверхню Землі, згинаючи, тікає від нього. І цей процес продовжується протягом усього польоту, внаслідок чого супутник ніяк не може досягти поверхні Землі. Втім, парадоксальність цього явища не дивна, йому можна знайти пристойну "земну" аналогію. Згадайте досвід, коли розглядалося обертання вантажу на витягнутій мотузці. У процесі обертання ви безперервно за допомогою мотузочки притягуєте тягар до себе, а він проте ніколи не досягає вашої руки і вас це зовсім не дивує. Щось аналогічне відбувається і в космічному масштабі: сила тяжіння Землі є та сама мотузочка, яка утримує супутник і змушує його обертатися навколо Землі.
Чи чомусь супутники не падають? Орбіта супутника є крихким балансом між інерцією і гравітацією. Сила тяжіння безперервно притягує супутник до Землі, тоді як інерція супутника прагне підтримувати рух прямолінійним. Якби не було сили тяжіння, інерція супутника відправила його прямо з земної орбіти у відкритий космос. Однак у кожній точці орбіти сила тяжіння тримає супутник на прив'язі.
Щоб досягти рівноваги між інерцією та силою тяжіння, супутник повинен мати строго певну швидкість. Якщо він летить надто швидко, інерція долає силу важкості та супутник залишає орбіту. (Обчислення так званої другої космічної швидкості, що дозволяє супутникові залишати навколоземну орбіту, відіграє важливу роль у запуску міжпланетних космічних станцій.) Якщо супутник рухається надто повільно, сила тяжкості переможе у боротьбі з інерцією і супутник впаде Землю. Саме це сталося в 1979 році, коли американська орбітальна станція Скайлеб почала знижуватися в результаті опору верхніх шарів земної атмосфери, що зростає. Потрапивши до залізних кліщів гравітації, станція невдовзі впала на Землю.
Швидкість та відстань
Оскільки земне тяжіння слабшає з відстанню, швидкість, необхідна утримання супутника на орбіті, змінюється з висотою над рівнем моря. Інженери можуть обчислювати, як швидко і високо супутник повинен обертатися на орбіті. Наприклад, геостаціонарний супутник, розташований завжди над тією ж точкою земної поверхні, повинен здійснювати один виток за 24 години (що відповідає часу одного обороту Землі навколо своєї осі) на висоті 357 кілометрів.
Сила тяжкості та інерція
Балансування супутника між силою тяжкості та інерцією може бути зімітовано обертанням вантажу на прив'язаній до нього мотузці. Інерція вантажу прагне перемістити його подалі від центру обертання, тоді як натяг мотузки, що виконує роль гравітації, утримує вантаж на круговій орбіті. Якщо мотузку перерізати, вантаж полетить прямолінійною траєкторією перпендикулярно радіусу своєї орбіти.
Земля має понад тисячу працюючих супутників. І якщо ми не залякуємо у своєму розвитку, їх кількість до кінця століття може зрости на порядок. Незважаючи на це, сама причина їхнього порівняно благополучного функціонування, як виявилося, не цілком зрозуміла. Так-так, взагалі вони повинні падати.
Уявіть собі сферичну землю у вакуумі. У такому варіанті на орбіти супутників не впливають фактори, що обурюють, і вони можуть залишатися там, над нашими головами, майже вічно.
Якби Земля була такою ж круглою, як на картинці, гравітація Місяця за лічені місяці скидала б з орбіти будь-який супутник без потужних верт'єрних двигунів. (Ілюстрація Shutterstock.)
Реальна Земля теж живе у вакуумі, та тільки вона не суворо сферична. Крім того, вона має Місяць — тіло, яке своєю гравітацією вносить головну невпорядкованість у недружну родину навколопланетних супутників та космічного сміття. Лобове застосування законів небесної механіки до впливу Місяця на штучні предмети в космосі веде до висновку, що він повинен у стислий термін призводити до падіння таких тіл у земну атмосферу зі своїми наступним згорянням.
Якщо ви інстинктивно глянули на свій навігатор, щоб переконатися, що супутники систем GPS/ГЛОНАСС ще не впали вам на голову, ми вас розуміємо. Ситуація виглядає трохи загадковою. Що за рятівна сила утримує у висоті всі ці тонни заліза?
Відомий Скотт Трімейн (Scott Tremaine) і Томер Явець (Tomer Yavetz) з Прінстонського університету (США) не на жарт зацікавилися цим питанням і спробували за допомогою комп'ютерного моделювання з'ясувати, що не дає супутникам розбитися про небесну твердиню Землю. Згідно з розрахунками, винні в цьому якраз вищезгадана «несферичність» нашої планети, а також вплив Сонця.
Планета наша, якщо не забули, трохи сплющена біля полюсів і трохи випукла вздовж екватора, що є природним результатом її обертання. І ось цей самий екваторіальний «наплив» створює такий доповнення до земного тяжіння, розрахованого для сфери, що будь-який вплив Місяця або інших великих об'єктів компенсується і той чи інший супутник не може швидко зміститися в якусь одну сторону, маючи зазвичай кілька років на орбіті .
Причому якби не було гравітаційного впливу Сонця, то одного цього було б недостатньо для компенсації впливу Місяця. І тільки ці лебідь, рак і щука утримують воз навколоземних космічних апаратів на місці, не даючи йому з'їхати в яр земної атмосфери.
Ілюстрація Shutterstock.
Цікаво, що розрахунки недвозначно показують: якби наша планета трохи ближче до сфери, супутники неминуче і порівняно швидко сходили б з орбіт. З одного боку, це, звичайно, позбавило б нас частину космічного сміття. З іншого — який толк від евакуатора, який полює на всі машини на дорозі, а не лише на неакуратно припарковані?
Підготовлено за матеріалами NewScientist. Зображення на заставці належить Shutterstock.
Сьогодні ми можемо вийти за межі свого будинку рано-вранці або ввечері і побачити яскраву космічну станцію, що пролітає над головою. Хоча космічні подорожі стали повсякденною частиною сучасного світу, для багатьох людей космос і питання, пов'язані з ним, залишаються загадкою. Так, наприклад, багатьом людям незрозуміло, чому супутники не падають на Землю та не відлітають у космос?
Елементарна фізика
Якщо ми кинемо м'яч у повітря, він скоро повернеться на Землю, як і будь-який інший об'єкт, як, наприклад, літак, куля або навіть повітряна куля.
Щоб зрозуміти, чому космічний корабель здатний обертатися навколо Землі, не падаючи принаймні за нормальних обставин, потрібно провести уявний експеримент. Уявіть, що ви перебуваєте на ньому немає повітря і атмосфери. Нам потрібно позбавитися повітря, щоб ми могли зробити нашу модель максимально простою. Тепер вам доведеться подумки піднятися на вершину високої гори зі зброєю, щоб зрозуміти, чому супутники не падають на Землю.
Поставимо експеримент
Направляємо стовбур зброї рівно горизонтально і стріляємо до західного горизонту. Снаряд вилетить із дула з величезною швидкістю і попрямує на захід. Як тільки снаряд покине ствол, він почне наближатися до поверхні планети.
Оскільки гарматний шар швидко просувається на захід, він впаде на землю на деякій відстані від вершини гори. Якщо ми продовжуватимемо збільшувати потужність гармати, снаряд впаде на землю набагато далі від місця пострілу. Оскільки наша планета має форму кулі, кожен раз, коли куля вилітатиме з дула, вона падатиме далі, тому що планета також продовжує обертатися навколо своєї осі. Ось чому супутники не падають на Землю під впливом сили тяжіння.
Оскільки це уявний експеримент, ми можемо зробити постріл пістолета потужнішим. Зрештою, ми можемо уявити ситуацію, в якій снаряд рухається з тією ж швидкістю, що й планета.
На цій швидкості, без опору повітря, яке його сповільнює, снаряд продовжуватиме обертатися навколо Землі вічно, оскільки він безперервно падатиме до планети, але Земля також продовжуватиме падати з тією ж швидкістю, як би «вислизаючи» від снаряда. Ця умова називається вільним падінням.
На практиці
У реальному ж житті все не так просто, як у нашому уявному експерименті. Тепер ми повинні мати справу з опором повітря, яке викликає уповільнення швидкості руху снаряда, зрештою позбавляючи його швидкості, необхідної для того, щоб залишатися на орбіті і не падати на Землю.
Навіть на відстані кількох сотень кілометрів від поверхні Землі все ще існує певний опір повітря, що діє на супутники та космічні станції та призводить до їх уповільнення. Цей опір зрештою призводить до того, що космічний корабель або супутник потрапляють у шари атмосфери, де вони зазвичай згоряють через тертя з повітрям.
Якби космічні станції та інші супутники не мали прискорення, здатного підштовхнути їх вище орбітою, всі вони безуспішно впали б на Землю. Таким чином, швидкість супутника регулюється таким чином, щоб він падав на планету з тією ж швидкістю, з якою планета кривою рухається у напрямку від супутника. Ось чому супутники не падають на землю.
Взаємодія планет
Той же процес застосовний до нашого Місяця, який переміщається на орбіті вільного падіння навколо Землі. Кожну секунду Місяць наближається приблизно на 0,125 см до Землі, але в той же час поверхня нашої сферичної планети зміщується на ту саму відстань, ухиляючись від Місяця, тому відносно один одного вони залишаються на своїх орбітах.
Немає нічого чарівного щодо орбіт та такого явища, як вільне падіння — вони лише пояснюють, чому супутники не падають на Землю. Це просто сила тяжіння та швидкість. Але це неймовірно цікаво, втім, як і решта, пов'язане з космосом.