Земята има мощен гравитационно поле, който привлича към себе си не само предмети, разположени на повърхността му, но и тези космически обекти, които незнайно защо са в непосредствена близост до него. Но ако това е така, тогава как да обясним факта, че изкуствените спътници, изстреляни от човека в земната орбита, не падат на нейната повърхност?
Според законите на физиката всеки обект в земната орбита задължително трябва да падне върху нейната повърхност, привлечен от нейното гравитационно поле. Всичко това е абсолютно вярно, но само ако планетата има формата на идеална сфера и външни сили няма да действат върху обектите в нейната орбита. Всъщност не е така. Земята, поради въртене около собствената си ос, е донякъде издута на екватора и сплескана на полюсите. В допълнение, изкуствените спътници се влияят от външни сили, излъчвани от Слънцето и Луната. Поради тази причина те не падат на повърхността на Земята.
Те се задържат в орбита именно поради факта, че нашата планета не е идеална по форма. Гравитационното поле, излъчвано от Земята, има тенденция да привлича спътници, предотвратявайки Луната и Слънцето да направят същото. Има компенсация на гравитационните сили, действащи върху спътниците, в резултат на което параметрите на техните орбити не се променят. По време на приближаването им към полюсите земната гравитация намалява, а гравитационната сила на Луната се увеличава. Сателитът започва да се движи към нея. При преминаването му през екваториалната зона ситуацията става точно обратна.
Има нещо като естествена корекция на орбитата на изкуствените спътници. Поради тази причина те не падат. Освен това под въздействието на земната гравитация сателитът ще лети в заоблена орбита, опитвайки се да се доближи до земната повърхност. Но тъй като Земята е кръгла, тази повърхност постоянно ще бяга от нея.
Този факт може да бъде демонстриран в прост пример. Ако завържете тежест за въже и започнете да я въртите в кръг, тя постоянно ще се стреми да избяга от вас, но не може да го направи, задържана от въжето, което по отношение на сателитите е аналог на земната гравитация . Тя е тази, която държи в орбитата си, стремейки се да лети космическо пространствосателити. Поради тази причина те вечно ще се въртят около планетата. Въпреки че това е чисто теория. Има огромен брой допълнителни фактори, които могат да променят тази ситуация и да накарат спътника да падне на Земята. Поради тази причина на една и съща МКС непрекъснато се извършва корекция на орбитата.
Прости въпроси. Книга, подобна на енциклопедия Антонец Владимир Александрович
Защо сателитите не падат на Земята?
Отговорът на този въпрос се дава в училище. В същото време те обикновено обясняват и как възниква безтегловността. Всичко това е толкова несъвместимо с интуицията, базирана на опита от земния живот, че не стои добре в главата. И следователно, когато училищните знания изчезнат (дори има такива педагогически термин- „остатъчно знание“), хората отново се чудят защо сателитите не падат на Земята и вътре космически корабпо време на полет възниква безтегловност.
Между другото, ако можем да отговорим на тези въпроси, тогава в същото време ще си изясним защо Луната не пада върху Земята, а Земята от своя страна не пада върху Слънцето, въпреки че гравитационната сила на Слънцето, действащо върху Земята, е огромно - около 3, 6 милиарда милиарда тона. Между другото, човек с тегло 75 kg е привлечен от Слънцето със сила около 50 g.
Движението на телата с много висока точност се подчинява на законите на Нютон. Съгласно тези закони две взаимодействащи тела, които не се влияят от никакви външни сили, могат да бъдат в покой едно спрямо друго само ако силите на тяхното взаимодействие са балансирани. Ние успяваме да стоим неподвижно на земната повърхност, защото силата на земното притегляне се компенсира точно от силата на натиска на земната повърхност върху повърхността на нашето тяло. В същото време Земята и тялото ни се деформират, поради което усещаме тежест. Ако например започнем да вдигаме някакъв товар, ще усетим тежестта му чрез мускулно напрежение и деформация на тялото, чрез което товарът се опира на земята.
Ако няма такава компенсация на силите, телата започват да се движат едно спрямо друго. Това движение винаги има променлива скорост, като както големината на скоростта, така и нейната посока могат да се променят. Сега си представете, че сме разпръснали някакво тяло, насочвайки движението му успоредно на повърхността на Земята. Ако началната скорост е по-малка от 7,9 km / s, тоест по-малка от т.нар космическа скорост, тогава под въздействието на гравитацията скоростта на тялото ще започне да се променя както по величина, така и по посока и то със сигурност ще падне на Земята. Ако скоростта на ускорение е била повече от 11,2 km / s, тоест втората космическа скорост, тялото ще отлети и никога няма да се върне на Земята.
Ако скоростта е била по-голяма от първата, но по-малка от втората космическа скорост, тогава когато тялото се движи, само посоката на скоростта ще се промени и стойността ще остане постоянна. Както разбирате, това е възможно само ако тялото се движи в порочен кръг, чийто диаметър е толкова по-голям, колкото по-близо е скоростта до втората космическа. Това означава, че тялото се е превърнало в изкуствен спътник на Земята. При определени условия движението ще се извършва не по кръгова, а по удължена елипсовидна траектория.
Ако тяло в района на Земята се разпръсне в посока, перпендикулярна на сегмента, свързващ Земята със Слънцето, до скорост от 42 km / s, то завинаги ще напусне границите слънчева система. Земята има орбитална скорост от само 29 km / s, така че, за щастие, тя не може нито да отлети от Слънцето, нито да падне върху него и завинаги ще остане негов спътник.
Този текст е уводна част.Защо сателитът не пада на Земята?
Този въпрос често се чува. Качествен отговор на него може да се получи с помощта на следния умствен експеримент. Да приемем, че на Земята има планина с височина 200 км и вие сте се изкачили на нейния връх. Хвърлете камък от върха на планината. Колкото повече се люлеете, толкова по-далеч ще лети камъкът. Отначало ще падне откъм планината, после откъм подметката и накрая точката на падането ще се скрие някъде зад хоризонта. Разбира се, предполагаме, че имате наистина херкулесова сила (което, разбира се, помогна много с чистия планински въздух). Можете да хвърлите камък по такъв начин, че да падне на противоположната страна на Земята и дори в подножието на планината, но от друга страна, да обиколи Земята Малко повече усилия и камъкът, обиколи Земята, изсвири над главата ви, превръщайки се в нещо като бумеранг.А сега свържете полета на камъка с въпроса - защо спътникът не пада на Земята.
Led мисловен експериментпоказва, че спътникът непрекъснато пада към Земята. Не се изненадвайте, той пада и се опитва да докосне повърхността на Земята. Какъв е проблема? Да приемем, че Земята има формата на сфера, нейното поле е централно и полетът на спътниците се извършва точно над нейната повърхност, да речем, на височина един метър. Теоретично това е възможно. На фиг. 21 през ОАе посочен радиусът на кръговата орбита на сателита. Нека в даден момент спътникът е в точка А и скоростта на полета му е насочена по правата AB, перпендикулярна на радиуса ОА.
Ако нямаше привличане на Земята, след известно време спътникът щеше да бъде в точка B, която лежи върху продължението на вектора на скоростта, и щеше да се отдалечи от точка A на разстояние AB. Но поради привличането на Земята, нейната траектория на полета е извита и следователно сателитът ще завърши в някаква точка C. И това означава, че когато разглеждаме полета на сателит с постоянна скорост с едновременно „падане“ към Земята, поради нейното привличане, не получаваме нищо повече от кръгова циркулация. Сега става ясно защо спътникът не достига повърхността на Земята: колко ще се отклони спътникът праволинейно движениепоради влиянието на силите на привличане на Земята, толкова повърхността на Земята поради сферичността се "отдалечава" от права линия. Образно казано, спътникът непрекъснато се опитва сякаш да достигне повърхността на Земята, а повърхността на Земята, извивайки се, бяга от него. И този процес продължава през целия полет, в резултат на което сателитът по никакъв начин не може да достигне повърхността на Земята. Парадоксалният характер на това явление обаче не е изненадващо, може да се намери прилична "земна" аналогия. Спомнете си опита, когато се разглеждаше въртенето на тежест върху удължен низ. В процеса на въртене вие непрекъснато дърпате тежестта към себе си с помощта на въже, но въпреки това тя никога не стига до ръката ви и това изобщо не ви учудва. Нещо подобно се случва в космически мащаб: силата на гравитацията на Земята е самото въже, което държи сателита и го кара да се върти около Земята.
Както знаете, геостационарните спътници висят неподвижно над земята над една и съща точка. Защо не падат? Няма ли гравитация на тази височина?
Отговор
Геостационарен изкуствен спътник на Земята е апарат, който се движи около планетата в източна посока (в същата посока, в която се върти самата Земя), по кръгова екваториална орбита с период на въртене, равен на периода на собственото въртене на Земята.
Така, когато се гледа от Земята геостационарен сателит, ще го видим да виси неподвижно на същото място. Поради тази неподвижност и високата надморска височина от около 36 000 км, от която се вижда почти половината от повърхността на Земята, сателитите за телевизия, радио и комуникации са поставени в геостационарна орбита.
От факта, че геостационарен спътник постоянно виси над една и съща точка на земната повърхност, някои хора правят погрешно заключение, че силата на привличане към Земята не действа върху геостационарния спътник, че силата на гравитацията изчезва на определено разстояние от Земята, т.е. опровергават самия Нютон. Разбира се, че не е така. Самото извеждане на сателитите в геостационарна орбита се изчислява точно според закона на Нютон за всемирното привличане.
Геостационарните спътници, както и всички други спътници, всъщност падат на Земята, но не достигат нейната повърхност. Върху тях действа силата на привличане към Земята (гравитационна сила), насочена към нейния център, а в обратна посока върху сателита действа центробежната сила на отблъскване от Земята (инерционна сила), които взаимно се балансират – сателитът не отлита от Земята и не пада върху нея точно както кофа, въртяща се на въже, остава в орбитата си.
Ако спътникът изобщо не се движи, тогава той би паднал на Земята под въздействието на привличането към нея, но спътниците се движат, включително геостационарните (геостационарните - с ъглова скорост, равна на ъгловата скорост на въртене на Земята, т.е. един оборот на ден, а за спътниците с по-ниски орбити ъгловата скорост е по-голяма, т.е. те имат време да направят няколко оборота около Земята за един ден). Линейната скорост, докладвана на спътника успоредно на земната повърхност при директно изстрелване в орбита, е сравнително голяма (в ниска околоземна орбита - 8 километра в секунда, в геостационарна орбита - 3 километра в секунда). Ако нямаше Земя, тогава спътникът щеше да лети по права линия с такава скорост, но присъствието на Земята кара спътника да падне върху нея под въздействието на гравитацията, огъвайки траекторията към Земята, но повърхността на Земята не е плоска, тя е извита. Доколкото сателитът се приближава до повърхността на Земята, толкова повърхността на Земята излиза от под спътника и по този начин спътникът е постоянно на една и съща височина, движейки се по затворена траектория. Сателитът пада през цялото време, но никога не може да падне.
И така, всички изкуствени спътници на Земята падат на Земята, но - по затворена траектория. Сателитите са в състояние на безтегловност, както всички падащи тела (ако асансьорът в небостъргач се повреди и започне да пада свободно, тогава хората вътре също ще бъдат в състояние на безтегловност). Астронавтите в МКС са в безтегловност не защото силата на привличане към Земята не действа в орбита (там е почти същата като на повърхността на Земята), а защото МКС пада свободно към Земята - по затворена кръгова траектория.
