Mint ismeretes, geostacionárius műholdak lógjon mozdulatlanul a föld felett, ugyanazon pont felett. Miért nem esnek? Ezen a magasságon nincs gravitációs erő?

Válasz

A geostacionárius mesterséges Földműhold olyan eszköz, amely a bolygó körül keleti irányban (a Föld forgásával azonos irányban), körkörös egyenlítői pályán mozog, a Föld saját forgási periódusával megegyező forgási periódussal.

Így, ha a Földről egy geostacionárius műholdra nézünk, azt látjuk, hogy ugyanazon a helyen mozdulatlanul lóg. Emiatt a mozdulatlanság és nagy magasságban Körülbelül 36 000 km-re, ahonnan a Föld felszínének csaknem fele látható, geostacionárius pályára bocsátják a televíziós, rádiós és kommunikációs közvetítő műholdakat.

Abból a tényből, hogy egy geostacionárius műhold folyamatosan lóg a Föld felszínének ugyanazon pontja felett, egyesek azt a téves következtetést vonják le, hogy a geostacionárius műholdat nem érinti a Föld felé ható gravitációs erő, hogy a gravitációs erő bizonyos távolságra eltűnik a Földet, vagyis éppen a Newtont cáfolják. Természetesen ez nem igaz. A műholdak geostacionárius pályára bocsátását a törvénynek megfelelően pontosan kiszámítják egyetemes gravitáció Newton.

A geostacionárius műholdak, mint minden más műhold, valójában a Földre esnek, de nem érik el a felszínét. Ezekre a Földre irányuló vonzási erő (gravitációs erő) hat, amely a középpontja felé irányul, ellentétes irányban pedig a Földet taszító centrifugális erő (tehetetlenségi erő) hat a műholdra, amelyek kiegyenlítik egymást - a műhold nem repül el a Földről, és nem esik rá pontosan úgy, ahogy egy kötélen megpördült vödör a pályáján marad.

Ha a műhold egyáltalán nem mozdulna, akkor a felé irányuló gravitáció hatására a Földre esne, de a műholdak mozognak, beleértve a geostacionárius (geostacionárius - a Föld forgási szögsebességének megfelelő szögsebességgel, azaz egy fordulattal). naponta, és alacsonyabb pályán lévő műholdakon szögsebesség többet, azaz naponta több fordulatot is sikerül megtenniük a Föld körül). A műholdnak a Föld felszínével párhuzamosan közvetített lineáris sebessége a pályára való közvetlen beillesztés során viszonylag nagy (alacsony földi pályán - 8 km/s, geostacionárius pályán - 3 km/s). Ha nem lenne Föld, akkor a műhold ilyen sebességgel repülne egyenes vonalban, de a Föld jelenléte arra kényszeríti a műholdat, hogy a gravitáció hatására rázuhanjon, a pályát a Föld felé hajlítva, de a Föld felszíne. a Föld nem lapos, hanem görbült. Amíg a műhold megközelíti a Föld felszínét, a Föld felszíne eltávolodik a műhold alól, így a műhold állandóan egy magasságban van, zárt pályán mozog. A műhold folyamatosan esik, de nem tud leesni.

Tehát minden mesterséges földi műhold a Földre esik, de zárt pálya mentén. A műholdak súlytalanságban vannak, mint minden zuhanó test (ha egy felhőkarcolóban egy lift elromlik és szabadon zuhanni kezd, akkor a benne lévő emberek is súlytalanságba kerülnek). Az ISS-en belüli űrhajósok nem azért vannak súlytalanságban, mert a Földet érő gravitációs erő nem kering a pályán (ott majdnem ugyanaz, mint a Föld felszínén), hanem azért, mert az ISS szabadon esik a Földre - egy zárt körpálya.

Miért nem esik le a műhold a Földre?

Ezt a kérdést gyakran lehet hallani. Erre a következő gondolatkísérlet segítségével kvalitatív választ kaphatunk. Tegyük fel, hogy van egy 200 km magas hegy a Földön, és felmászunk a csúcsra. Dobj egy követ a hegy tetejéről. Minél többet hintázol, annál tovább repül a kő. Először a hegy oldalára zuhan, majd a lábához, végül pedig a zuhanás pontja eltűnik valahol a horizonton túl. Természetesen feltételezzük, hogy valóban herkulesi erővel rendelkezik (amit természetesen nagyban elősegített a tiszta hegyi levegő). Egy követ dobhatsz úgy, hogy a Föld másik oldalára, sőt a hegy lábába essen, de a másik oldalon, a Föld körül. Még egy kis erőfeszítés, és a kő, a Föld körül keringve, fütyülni fog feletted. fej, ​​ami egyfajta bumeránggá változik.És így Most kösd össze a kő repülését azzal a kérdéssel, hogy miért nem esik le a műhold a Földre.

A fenti gondolatkísérlet azt mutatja, hogy a műhold folyamatosan esik a Földre. Ne lepődj meg, leesik és megpróbál érintkezni a Föld felszínével. Mi a helyzet? Tegyük fel, hogy a Föld gömb alakú, mezeje központi, és a műholdak repülése közvetlenül a felszíne felett történik, mondjuk egy méter magasságban. Elméletileg ez megengedhető. ábrán. 21-ig OA a műhold körpályájának sugarát jelzi. Legyen a műhold egy pillanatban az A pontban, és a repülési sebessége irányuljon az AB egyenes mentén, merőlegesen a sugárra OA.

Ha nem lenne a Föld gravitációja, akkor rövid idő elteltével a műhold a sebességvektor folytatásán fekve a B pontban kötne ki, és az A pontból AB távolságra kerülne. De a Föld gravitációja miatt a repülési útvonala meggörbül, és ezért a műhold valamilyen C ponton ér véget. Ez azt jelenti, hogy ha egy műhold állandó sebességű repülését tekintjük a Föld felé egyidejű „eséssel” gravitációjára nem kapunk mást, mint a Körforgalom. Most már világossá válik, hogy a műhold miért nem éri el a Föld felszínét: mennyitől fog eltérni a műhold egyenes vonalú mozgás a Föld gravitációs erőinek hatására a Föld felszíne gömbszerűsége miatt „eltávolodik” egy egyenestől. Képletesen szólva, úgy tűnik, hogy a műhold folyamatosan próbál elérni a Föld felszínét, és a Föld felszíne görbülve elszalad tőle. Ez a folyamat pedig az egész repülés során folytatódik, aminek következtében a műhold nem tudja elérni a Föld felszínét. A jelenség paradox volta azonban nem meglepő, találhatunk rá megfelelő „földi” hasonlatot. Emlékezzen arra a kísérletre, amikor fontolóra vette, hogy súlyt forgat egy kinyújtott húron. A forgás során folyamatosan húzod magad felé a súlyt egy zsinór segítségével, de ennek ellenére soha nem éri el a kezed, és ez egyáltalán nem lep meg. Valami hasonló történik benne kozmikus léptékben: A Föld gravitációs ereje ugyanaz a kötél, amely a műholdat tartja, és a Föld körül forog.

A földnek hatalmas ereje van gravitációs mező, amely nemcsak a felületén elhelyezkedő tárgyakat vonzza magához, hanem azokat is űrobjektumok, amelyek valamilyen oknál fogva a lány közvetlen közelében találják magukat. De ha ez így van, akkor mivel magyarázható, hogy az ember által a Föld pályájára bocsátott mesterséges műholdak nem esnek a felszínére?

A fizika törvényei szerint minden, a Föld pályáján elhelyezkedő tárgynak a gravitációs tere vonzza a felszínére. Mindez teljesen igaz, de csak akkor, ha a bolygó ideális gömb alakú, és semmilyen külső erő nem hat a pályáján elhelyezkedő objektumokra. Valójában ez nem így van. A Föld a saját tengelye körüli forgása miatt az Egyenlítőnél némileg felfújódik, a sarkoknál pedig lelapul. Ezenkívül a mesterséges műholdakra a Napból és a Holdból kiinduló külső erők is hatással vannak. Emiatt nem esnek le a Föld felszínére.

Éppen azért tartják őket pályán, mert bolygónk nem ideális alakú. A Földről kiáramló gravitációs tér hajlamos magához vonzani a műholdakat, ami megakadályozza, hogy a Hold és a Nap is ezt tegye. Megtörténik a kompenzáció gravitációs erők, hatnak a műholdakra, aminek következtében pályájuk paraméterei nem változnak. Ahogy közelednek a sarkokhoz, a Föld gravitációja csökken, és a Hold gravitációs ereje megnő. A műhold elkezd elmozdulni a lány irányába. Az egyenlítői zónán való áthaladás során a helyzet éppen az ellenkezőjévé válik.

A pálya természetes korrekciója következik be mesterséges műholdak. Emiatt nem esnek le. Ezenkívül a föld gravitációjának hatására a műhold lekerekített pályán fog repülni, és megpróbál közelebb kerülni a Föld felszíne. De mivel a Föld kerek, ez a felszín folyamatosan menekülni fog előle.

Ezt a tényt azzal lehet bizonyítani egyszerű példa. Ha egy nehezéket köt egy kötélhez, és elkezdi körben forgatni, akkor az folyamatosan megpróbál elfutni tőled, de ezt nem tudja megtenni, mivel a kötél tartja, ami a műholdakhoz képest a Föld gravitációjának analógja. . Ő tartja pályáján azokat, akik megpróbálnak berepülni nyitott tér műholdak. Emiatt örökké a bolygó körül fognak forogni. Bár ez pusztán elmélet. Létezik nagy mennyiség további tényezők, amelyek megváltoztathatják ezt a helyzetet, és a műhold a Földre zuhanását idézhetik elő. Emiatt ugyanazon az ISS-en folyamatosan pályakorrekciót végeznek.

A Földnek több mint ezer működő műholdja van. Ha pedig nem akadunk meg fejlődésünkben, számuk a század végére egy nagyságrenddel növekedhet. Ennek ellenére a viszonylag sikeres működésük oka, mint kiderült, nem teljesen világos. Igen, igen, valójában le kellene esniük.

Képzeljünk el egy gömb alakú Földet vákuumban. Ebben az opcióban a műholdak pályáját nem befolyásolják zavaró tényezők, és szinte örökre ott, a fejünk felett maradhatnak.

Ha a Föld olyan gömbölyű lenne, mint a képen, a Hold gravitációja bármely műholdat kidobna a pályáról erős nóniuszmotorok nélkül néhány hónapon belül. (Shutterstock illusztráció)

A valódi Föld is légüres térben él, de nem szigorúan gömb alakú. Ezen kívül van benne a Hold – egy test, amely gravitációjával bevezeti a fő rendellenességet a környező műholdak és űrszemét barátságtalan családjába. Az égi mechanika törvényeinek közvetlen alkalmazása a Holdnak az űrben lévő mesterséges objektumokra gyakorolt ​​hatására arra a következtetésre jut, hogy ennek rövid időn belül az ilyen testek földi légkörbe való eséséhez kell vezetnie, majd égésükkel együtt.

Ha ösztönösen a navigátorra pillantott, hogy megbizonyosodjon arról, hogy a GPS/GLONASS műholdak még nem estek a fejére, akkor megértjük. A helyzet kissé rejtélyesnek tűnik. Milyen megtakarító erő tartja magasban ezt a sok tonna vasat?

A jól ismert Scott Tremaine és Tomer Yavetz a Princeton Egyetemről (USA) komolyan érdeklődött a kérdés iránt, és számítógépes modellezéssel megpróbálták kideríteni, mi akadályozza meg a műholdak becsapódását a Föld égi mennyezetére. A számítások szerint ezért bolygónk már említett „nem szférikussága”, valamint a Nap hatása okolható.

Bolygónk, ha emlékszel, kissé lapított a pólusoknál, és kissé domború az egyenlítő mentén, ami a forgásának természetes eredménye. És ez a nagyon egyenlítői „beáramlás” olyan pluszt hoz létre a Föld gravitációjához, a gömbre számolva, hogy a Hold vagy más nagy objektumok bármilyen befolyása kompenzálódik, és egyik vagy másik műhold nem tud gyorsan elmozdulni egyik irányba, általában több év múlva pályán .

Sőt, ha nem lenne a Nap gravitációs hatása, akkor ez önmagában nem lenne elég a Hold befolyásának kompenzálására. És csak ezek a hattyúk, rákok és csukák tartják a földközeli szekeret űrhajó helyén, megakadályozva, hogy a föld légkörének szakadékába csússzon.


Illusztráció: Shutterstock.

Érdekesség, hogy a számítások egyértelműen azt mutatják: ha bolygónk kicsit közelebb lenne a gömbhöz, akkor a műholdak elkerülhetetlenül és viszonylag gyorsan elhagynák pályájukat. Ez egyrészt persze megkímélne minket az űrszemét egy részétől. Másrészt mit ér egy vontató, amely az úton lévő összes autóra vadászik, nem csak a hanyagul parkolókra?

Készült: NewScientist. Splash kép a Shutterstock jóvoltából.

Jelenleg több mint 1000 mesterséges műhold kering a Föld pályáján. Sokféle feladatot látnak el, és különböző kialakításúak. Egy dolog azonban közös bennük: a műholdak a bolygó körül keringenek, és nem esnek le.

Gyors magyarázat

Valójában a műholdak a gravitáció miatt folyamatosan esnek a Földre. De mindig kihagyják, mert az oldalsó sebességet a tehetetlenség határozza meg az indításkor.

Egy műholdnak a Föld körüli forgása az állandó zuhanó múltja.

Magyarázat

Ha feldob egy labdát a levegőbe, a labda visszajön. Ez azért van, mert gravitáció- ugyanaz az erő, amely a Földön tart, és megakadályozza, hogy a világűrbe repüljünk.

A műholdakat rakéták bocsátják pályára. A rakétának gyorsulnia kell 29.000 km/h-ig! Ez elég gyors ahhoz, hogy legyőzze az erős gravitációt és elkerülje a Föld légkörét. Amint a rakéta eléri a kívánt pontot a Föld felett, elengedi a műholdat.

A műhold a rakétától kapott energiát használja fel a mozgásban maradáshoz. Ezt a mozgást az ún impulzus.

De hogyan marad pályán egy műhold? Nem repülne egyenesen az űrbe?

Nem igazán. Még akkor is, ha a műhold több ezer kilométerre van, a Föld gravitációja még mindig húzza. A Föld gravitációja a rakéta lendületével kombinálva arra készteti a műholdat, hogy egy körpályát kövessen a Föld körül - pálya.

Amikor egy műhold keringő pályán áll, tökéletes egyensúlyban van a lendület és a Föld gravitációs ereje között. De ezt az egyensúlyt meglehetősen nehéz megtalálni.

A gravitáció annál erősebb, minél közelebb van egy tárgy a Földhöz. A Föld körül keringő műholdaknak pedig nagyon nagy sebességgel kell mozogniuk nagy sebességek pályán maradni.

Például a NOAA-20 műhold mindössze néhány száz kilométerrel kering a Föld felett. 27 300 km/órás sebességgel kell haladnia ahhoz, hogy pályán maradjon.

Másrészt a NOAA GOES-East műholdja 35 405 km-es magasságban kering a Föld körül. A gravitáció leküzdéséhez és a pályán maradáshoz körülbelül 10 780 km/h sebességre van szüksége.

Az ISS 400 km magasságban található, így a sebessége 27 720 km/h

A műholdak akár több száz évig is pályán maradhatnak, így nem kell attól tartanunk, hogy a Földre zuhannak.