Kao što je poznato, geostacionarni sateliti visi nepomično iznad tla iznad iste točke. Zašto ne padnu? Na toj visini nema sile gravitacije?

Odgovor

Geostacionarni umjetni satelit Zemlje je uređaj koji se kreće oko planeta u istočnom smjeru (u istom smjeru u kojem se sama Zemlja okreće), u kružnoj ekvatorijalnoj orbiti s periodom ophoda jednakim periodu Zemljine vlastite rotacije.

Tako, pogledamo li sa Zemlje geostacionarni satelit, vidjet ćemo ga kako nepomično visi na istom mjestu. Zbog ove nepokretnosti i velika nadmorska visina Oko 36 000 km, s kojih se vidi gotovo polovica Zemljine površine, u geostacionarnu orbitu lansiraju se relejni sateliti za televiziju, radio i komunikacije.

Iz činjenice da geostacionarni satelit stalno visi nad istom točkom na Zemljinoj površini neki izvode netočan zaključak da na geostacionarni satelit ne djeluje sila teže prema Zemlji, da sila teže nestaje na određenoj udaljenosti od Zemlju, tj. pobijaju samog Newtona. Naravno da to nije istina. Lansiranje satelita u geostacionarnu orbitu obračunava se točno prema zakonu univerzalna gravitacija Newton.

Geostacionarni sateliti, kao i svi drugi sateliti, zapravo padaju na Zemlju, ali ne dosežu njezinu površinu. Na njih djeluje sila privlačenja Zemlje (gravitacijska sila), usmjerena prema njezinom središtu, au suprotnom smjeru na satelit djeluje centrifugalna sila (sila tromosti) koja odbija Zemlju, a koje se međusobno uravnotežuju – satelit ne leti dalje od Zemlje i ne pada na nju baš kao što kanta koja se vrti na užetu ostaje u svojoj orbiti.

Da se satelit uopće ne kreće, onda bi pao na Zemlju pod utjecajem gravitacije prema njoj, ali sateliti se kreću, uključujući i geostacionarne (geostacionarne - kutnom brzinom jednakom kutnoj brzini Zemljine rotacije, tj. jedan okretaj dnevno, te na satelitima u nižim orbitama kutna brzina više, tj. dnevno uspiju napraviti nekoliko okretaja oko Zemlje). Linearna brzina koja se prenosi satelitu paralelno s površinom Zemlje tijekom izravnog ubacivanja u orbitu je relativno velika (u niskoj orbiti oko Zemlje - 8 kilometara u sekundi, u geostacionarnoj orbiti - 3 kilometra u sekundi). Da nema Zemlje, tada bi satelit letio takvom brzinom pravocrtno, ali prisutnost Zemlje tjera satelit da padne na nju pod utjecajem gravitacije, kriveći putanju prema Zemlji, ali površina Zemlja nije ravna, ona je zakrivljena. Sve dok se satelit približava Zemljinoj površini, Zemljina se površina udaljava od ispod satelita i stoga je satelit stalno na istoj visini, krećući se zatvorenom putanjom. Satelit stalno pada, ali ne može pasti.

Dakle, svi umjetni Zemljini sateliti padaju na Zemlju, ali po zatvorenoj putanji. Sateliti su u bestežinskom stanju, kao i sva tijela koja padaju (ako se dizalo u neboderu pokvari i počne slobodno padati, tada će i ljudi unutra biti u bestežinskom stanju). Astronauti unutar ISS-a nalaze se u bestežinskom stanju ne zato što u orbiti ne djeluje sila gravitacije na Zemlju (tamo je gotovo ista kao i na površini Zemlje), već zato što ISS slobodno pada na Zemlju – uzduž zatvorena kružna putanja.

Zašto satelit ne padne na Zemlju?

Ovo pitanje se često može čuti. Kvalitativni odgovor na ovo može se dobiti korištenjem sljedećeg misaonog eksperimenta. Pretpostavimo da na Zemlji postoji planina visoka 200 km i da se vi popnete na vrh. Baciti kamen s vrha planine. Što više zamahujete, kamen će dalje letjeti. Najprije će pasti na planinu, zatim u njezino podnožje, da bi na kraju točka njezina pada nestala negdje iza horizonta. Naravno, pretpostavljamo da imate pravu herkulovsku snagu (čemu je, naravno, uvelike pridonio čisti planinski zrak). Možete baciti kamen tako da padne na suprotnu stranu Zemlje pa čak i u podnožje planine, ali na drugu stranu, kružeći oko Zemlje. Još malo truda i kamen će kružeći oko Zemlje zazviždati nad vašim glava, pretvarajući se u neku vrstu bumeranga.I tako Sada povežite let kamena s pitanjem - zašto satelit ne padne na Zemlju.

Gornji misaoni eksperiment pokazuje da satelit neprestano pada na Zemlju. Nemojte se iznenaditi, pada i pokušava doći u dodir s površinom Zemlje. Što je bilo? Pretpostavimo da je Zemlja sferna, da joj je polje središnje, a da se let satelita događa neposredno iznad njene površine, recimo, na visini od jednog metra. Teoretski, to se može dopustiti. Na sl. 21 kroz OA označava polumjer kružne orbite satelita. Neka je u nekom trenutku satelit u točki A i neka mu je brzina leta usmjerena duž linije AB, okomito na polumjer OA.

Kad ne bi bilo Zemljine teže, satelit bi nakon nekog kraćeg vremena završio u točki B, koja leži na nastavku vektora brzine, te bi se od točke A udaljio na udaljenost AB. Ali zbog Zemljine gravitacije, njegova putanja leta će biti zakrivljena i stoga će satelit završiti u nekoj točki C. To znači da kada uzmemo u obzir let satelita konstantnom brzinom uz istovremeni “pad” prema Zemlji zbog prema njegovoj gravitaciji, ne dobivamo ništa više od kružne cirkulacije. Sada postaje jasno zašto satelit ne doseže površinu Zemlje: koliko će satelit odstupiti pravocrtno gibanje zbog utjecaja Zemljine gravitacijske sile, površina Zemlje će se zbog svoje sferičnosti “udaljiti” od ravne linije. Slikovito govoreći, satelit kao da neprestano pokušava dosegnuti površinu Zemlje, a površina Zemlje, krivudajući, bježi od njega. I taj se proces nastavlja tijekom cijelog leta, zbog čega satelit ne može doći do površine Zemlje. Međutim, paradoksalna priroda ovog fenomena ne iznenađuje; za njega se može pronaći pristojna "zemaljska" analogija. Sjetite se eksperimenta kada ste razmišljali o rotaciji utega na ispruženoj žici. Tijekom procesa rotacije uteg konstantno vučete prema sebi uz pomoć špage, no usprkos tome on nikako ne dolazi do vaše ruke i to vas nimalo ne čudi. Nešto slično događa se u u kozmičkim razmjerima: Gravitacijska sila Zemlje isto je uže koje drži satelit i tjera ga da se okreće oko Zemlje.

Zemlja ima moćan gravitacijsko polje, koji privlači sebi ne samo predmete koji se nalaze na njegovoj površini, već i one svemirski objekti, koji se iz nekog razloga nađu u njenoj neposrednoj blizini. Ali ako je to tako, kako onda objasniti činjenicu da umjetni sateliti koje je čovjek lansirao u zemljinu orbitu ne padaju na njezinu površinu?

Prema zakonima fizike, svaki objekt koji se nalazi u zemljinoj orbiti mora pasti na njezinu površinu privučen njezinim gravitacijskim poljem. Sve je to apsolutno točno, ali samo ako je planet imao oblik idealne sfere i nikakve vanjske sile nisu djelovale na objekte koji se nalaze u njegovoj orbiti. Zapravo, to nije tako. Zemlja je zbog rotacije oko vlastite osi nešto napuhnuta na ekvatoru, a spljoštena na polovima. Osim toga, na umjetne satelite utječu vanjske sile koje proizlaze iz Sunca i Mjeseca. Iz tog razloga ne padaju na površinu Zemlje.

Oni se drže u orbiti upravo zato što naš planet nije idealnog oblika. Gravitacijsko polje koje proizlazi iz Zemlje nastoji privući satelite k sebi, sprječavajući Mjesec i Sunce da učine isto. Dolazi do kompenzacije gravitacijske sile, djelujući na satelite, zbog čega se parametri njihovih orbita ne mijenjaju. Kako se približavaju polovima, Zemljina gravitacija postaje manja, a gravitacijska sila Mjeseca sve veća. Satelit se počinje pomicati u njezinom smjeru. Tijekom prolaska kroz zonu ekvatora situacija postaje upravo suprotna.

Dolazi do prirodne korekcije orbite umjetni sateliti. Iz tog razloga oni ne padaju. Osim toga, pod utjecajem zemljine gravitacije, satelit će letjeti u zaobljenoj orbiti, pokušavajući se približiti Zemljina površina. Ali budući da je Zemlja okrugla, ova će površina stalno bježati od nje.

Ova se činjenica može dokazati jednostavan primjer. Ako vežete uteg za uže i počnete ga okretati u krug, on će stalno pokušavati pobjeći od vas, ali to ne može učiniti, držeći ga užetom, što je u odnosu na satelite analog Zemljine gravitacije . Ona je ta koja u svojoj orbiti drži one u koje pokušavaju uletjeti otvoreni prostor sateliti. Iz tog razloga, oni će se zauvijek vrtjeti oko planeta. Iako je ovo čista teorija. postoji veliki iznos dodatni čimbenici koji mogu promijeniti ovu situaciju i uzrokovati pad satelita na Zemlju. Zbog toga se na istom ISS-u stalno provodi korekcija orbite.

Zemlja ima više od tisuću satelita koji rade. I ako ne zastanemo u našem razvoju, njihov broj bi se mogao povećati za red veličine do kraja stoljeća. Unatoč tome, sam razlog njihova relativno uspješnog funkcioniranja, kako se pokazalo, nije sasvim jasan. Da, da, zapravo bi trebali pasti.

Zamislite kuglastu Zemlju u vakuumu. U ovoj opciji na orbite satelita ne utječu ometajući čimbenici i oni mogu ostati tu, iznad naših glava, gotovo zauvijek.

Da je Zemlja okrugla kao na slici, Mjesečeva bi gravitacija izbacila svaki satelit iz orbite bez snažnih vernier motora za nekoliko mjeseci. (Ilustracija Shutterstock)

Prava Zemlja također živi u vakuumu, ali nije strogo sferična. Uz to ima i Mjesec - tijelo koje svojom gravitacijom unosi glavni nered u neprijateljsku obitelj cirkumplanetarnih satelita i svemirskog otpada. Izravna primjena zakona nebeske mehanike na utjecaj Mjeseca na umjetne objekte u svemiru dovodi do zaključka da bi u kratkom vremenu trebalo dovesti do pada takvih tijela u zemljinu atmosferu s njihovim naknadnim izgaranjem.

Ako ste instinktivno bacili pogled na svoj navigator kako biste se uvjerili da vam GPS/GLONASS sateliti još nisu pali na glavu, onda vas razumijemo. Situacija izgleda pomalo misteriozno. Kakva spasonosna sila drži sve te tone željeza na visini?

Poznati Scott Tremaine i Tomer Yavetz sa Sveučilišta Princeton (SAD) ozbiljno su se zainteresirali za ovu problematiku i pokušali pomoću računalnog modeliranja saznati što sprječava satelite da se zabiju u nebeski svod Zemlje. Prema izračunima, za to je kriva spomenuta “nesferičnost” našeg planeta, kao i utjecaj Sunca.

Naš je planet, ako se sjećate, blago spljošten na polovima i blago konveksan duž ekvatora, što je prirodna posljedica njegove rotacije. I upravo taj ekvatorijalni "influks" stvara takav dodatak zemljinoj gravitaciji, izračunatoj za sferu, da je bilo kakav utjecaj Mjeseca ili drugih velikih objekata kompenziran i jedan ili drugi satelit se ne može brzo pomaknuti u bilo kojem smjeru, obično nakon nekoliko godina u orbiti .

Štoviše, da nema gravitacijskog utjecaja Sunca, samo to ne bi bilo dovoljno za kompenzaciju utjecaja Mjeseca. A samo ti labudovi, rakovi i štuke drže kolica bliske zemlje svemirska letjelica na mjestu, sprječavajući ga da sklizne u provaliju zemljine atmosfere.


Ilustracija Shutterstock.

Zanimljivo je da izračuni jasno pokazuju: da je naš planet malo bliže sferi, sateliti bi neizbježno i relativno brzo napustili svoje orbite. S jedne strane, to bi nas, naravno, spasilo od dijela svemirskog otpada. S druge strane, čemu služi tegljač koji lovi sve automobile na cesti, a ne samo one nemarno parkirane?

Pripremljeno iz NewScientista. Uvodna slika zahvaljujući Shutterstocku.

Trenutno se u Zemljinoj orbiti nalazi više od 1000 umjetnih satelita. Obavljaju široku paletu zadataka i imaju različite dizajne. Ali jedno im je zajedničko – sateliti se okreću oko planeta i ne padaju.

Brzo objašnjenje

Zapravo, sateliti cijelo vrijeme padaju na Zemlju zbog gravitacije. Ali oni uvijek promašuju, jer im je bočna brzina određena inercijom pri lansiranju.

Rotacija satelita oko Zemlje njegova je stalna prošlost pada.

Obrazloženje

Ako bacite loptu u zrak, lopta se vraća natrag. Ovo je zbog gravitacija- ista sila koja nas drži na Zemlji i sprječava da odletimo u svemir.

Sateliti se u orbitu lansiraju raketama. Raketa mora ubrzati do 29.000 km/h! To je dovoljno brzo da nadvlada jaku gravitaciju i pobjegne iz Zemljine atmosfere. Kada raketa dosegne željenu točku iznad Zemlje, oslobađa satelit.

Satelit koristi energiju primljenu od rakete kako bi ostao u pokretu. Ovo kretanje se zove impuls.

Ali kako satelit ostaje u orbiti? Ne bi li odletio ravno u svemir?

Ne baš. Čak i kada je satelit udaljen tisućama kilometara, Zemljina ga gravitacija i dalje privlači. Zemljina gravitacija, u kombinaciji s zamahom rakete, uzrokuje da satelit slijedi kružnu putanju oko Zemlje - orbita.

Kada je satelit u orbiti, ima savršenu ravnotežu između zamaha i sile Zemljine teže. Ali pronaći ovu ravnotežu je prilično teško.

Gravitacija je jača što je objekt bliže Zemlji. A sateliti koji kruže oko Zemlje moraju se kretati vrlo brzo velike brzine ostati u orbiti.

Na primjer, satelit NOAA-20 kruži samo nekoliko stotina kilometara iznad Zemlje. Mora putovati brzinom od 27.300 km/h da bi ostao u orbiti.

S druge strane, NOAA-in satelit GOES-East kruži oko Zemlje na visini od 35.405 km. Da bi savladao gravitaciju i ostao u orbiti, potrebna mu je brzina od oko 10.780 km/h.

ISS se nalazi na visini od 400 km, pa je njegova brzina 27.720 km/h

Sateliti mogu ostati u orbiti stotinama godina, tako da se ne moramo brinuti da će pasti na Zemlju.