Почему спутник обращаясь вокруг земли не падает на ее поверхность

2. Почему спутники, обращаясь вокруг Земли под действием силы тяжести, не падают на Землю?

2. Т.к. он обладает достаточно большой скоростью, направленной по касательной к траектории движения.

Решебник по физике за 9 класс (А.В.Перышкин, Е.М.Гутник, 2009 год),
задача №2
к главе «Глава I Законы взаимодействия и движения тел. §20. Искусственные спутники Земли. Ответы на вопросы».

Что такое низкая околоземная орбита и почему спутники не падают нам на головы

Подавляющее большинство спутников и даже Международная космическая станция кружат над Землей на так называемой низкой околоземной орбите. Но почему именно ее используют космические агентства и насколько она низка? Делимся фактами, определениями и объясняем, как работает орбита.

Простыми словами низкая околоземная орбита (НОО) именно тем, чем она и называется – низкой орбитой вокруг нашей планеты, которая пролегает на нижней границе диапазона возможных орбит. Это примерно 2000 км над Землей и даже чуть ниже.

Большинство спутников находятся именно на низкой орбите, как и МКС. Чтобы остаться на этой орбите, спутник должен двигаться на скорости около 7,8 километра в секунду. При этом ему нужно примерно 90 минут, чтобы завершить оборот вокруг планеты.

Низкая околоземная орбита / Фото ESA

Как работает орбита

Орбиты возможны благодаря силе тяготения – той же силе, которая удерживает нас на поверхности планеты. Подобно тому, как мы полетели бы в космос, если бы не существовало гравитации, так и спутник улетел бы по касательной.

Это происходит в случае космического корабля, путешествующего на второй космической скорости – 11,2 км/с. При достижении объектом такой скорости он может покинуть окрестности Земли и стать спутником Солнца. Если объект движется гораздо медленнее, например, суборбитальная ракета New Shepard Blue Origin, то он упадет на Землю так же уверенно, как и вы, когда подпрыгиваете в воздух.

Орбитальная скорость – 7,8 км/с – это скорость, при которой сила тяжести не дает объекту улететь по касательной. В результате движущийся с такой скоростью объект будет просто вращаться вокруг Земли – станет ее спутником. Это горизонтальная скорость, параллельная поверхности планеты. Когда спутник достигает орбитальной скорости, он официально находится на орбите.

Движение спутника по орбите / Фото ESA

Почему спутники выводят на низкую околоземную орбиту

Орбитальная скорость 7,8 км/с позволяет вывести объект на НОО прямо над атмосферой Земли. На больших высотах скорость, необходимая для удержания спутника на орбите, изменяется (по мере увеличения высоты необходимая скорость падает).

Однако это не означает, что ракета должна тратить меньше энергии, чтобы вывести спутник на более высокую орбиту. Это объясняется тем, что требуется огромное количество энергии, чтобы просто добиться такой высоты. Эти дополнительные усилия, направленные на подъем на большую высоту, являются одной из причин, по которым большинство спутников размещают на низкой орбите. Другими причинами является то, что, например, спутники для слежения за поверхностью Земли могут фотографировать ее с большим разрешением именно с самой низкой точки орбиты.

Однако есть одна особая высотная орбита, для достижения которой следует приложить дополнительные усилия, и это геосинхронная околоземная орбита (ГОО).

Для чего нужна геосинхронная орбита

Спутник на НОО совершает около 16 оборотов каждый день или за каждый полный оборот самой Земли. Однако ГОО находится на высоте около 36 тысяч километров, после чего орбитальная скорость замедляется, поэтому одна орбита соответствует ровно одному обороту Земли вокруг себя.

Это означает, что спутник на такой высоте фактически зависает над одной точкой на поверхности Земли (движется синхронно с планетой), что делает его особенно полезным для спутникового телевидения и других систем связи.

Геосинхронная орбита / Фото ESA

Орбиты спутников обычно имеют траекторию овального типа, которая называется эллипсом, длина и ширина которого известны как большая и малая оси.

Когда эти две оси равны по размеру, орбита является идеальным кругом, являющимся лишь частным случаем эллипса. Большинство спутников имеют почти круговые орбиты, но в некоторых случаях эллипс может быть гораздо более вытянутым, с большой осью гораздо длиннее малой оси.

Почему спутники не падают нам на головы

На самом деле все наоборот – все спутники на орбите Земли и даже Международная космическая станция падают на нас, однако делают они это очень и очень медленно. Этому способствует сила тяготения, притягивающая объекты к Земле. Гравитация тем сильнее, чем ближе объект к Земле, и вращающиеся вокруг Земли спутники должны двигаться на очень высоких скоростях, чтобы оставаться на орбите. Об этом мы писали выше.

В то же время они продолжают немного замедляться и фактически очень медленно падают на поверхность планеты. Именно поэтому периодически происходит корректировка орбиты некоторых сателлитов и МКС. Другие спутники со временем сходят с орбиты, входят в плотные слои атмосферы и сгорают там не достигая поверхности планеты.

Другие типы орбит

Кроме низкой околоземной и геостационарной орбит, есть еще несколько траекторий, на которые выводят разнообразные космические аппараты в зависимости от цели.

• Средняя околоземная орбита (СОВ) включает широкий диапазон орбит между НОО и ГОО. Она похожа на НОО тем, что ей тоже не нужно проходить определенные пути вокруг Земли, и ее используют разные спутники, например те, которые используются для навигационных систем.
• Полярную орбиту (ПО) обычно используют спутники, путешествующие мимо Земли с севера на юг, а не с запада на восток, проходя примерно над полюсами Земли.
• Солнечно-синхронная орбита (ССО) представляет собой особый вид полярной орбиты. Спутники на ССО, путешествуя над полярными областями, синхронны с Солнцем. Это означает, что они синхронизированы, чтобы всегда находиться в одном «фиксированном» положении по отношению к Солнцу. Таким образом спутник всегда посещает одно и то же место в одно и то же местное время, например, пролетая мимо конкретного города каждый день ровно в полдень.
• Трансферные орбиты – это особый вид орбит, используемый для перехода с одной орбиты на другую. Когда спутники запускаются с Земли и переносятся в космос с помощью ракет-носителей, спутники не всегда размещаются непосредственно на конечной орбите. Сателлиты часто размещаются на переходной орбите: орбите, на которой, используя сравнительно небольшое количество энергии от встроенных двигателей, спутник или космический корабль могут переходить с одной орбиты на другую.

Существуют также точки Лагранжа (L-точки), являющиеся орбитами, которые находятся гораздо дальше (более миллиона километров) от нашей планеты и не вращаются вокруг Земли напрямую. Это определенные точки далеко в космосе, где гравитационные поля Земли и Солнца сочетаются таким образом, что вращающиеся вокруг них космические корабли остаются стабильными и, таким образом, могут быть «закреплены» относительно Земли. В одной из таких точек, например, сейчас находится самый мощный в истории человечества космический телескоп James Webb.

Почему спутники не падают?

Мощные ракеты наклонно по отношению к Земле забросили спутников на огромную высоту и разогнали их там до колоссальной скорости (8 километров в секунду). Спутникам лететь бы по прямой линии, по инерции, но сила земного притяжения, как невидимая верёвка, изменяет направление их полёта, не даёт улететь от Земли.

Почему искусственные спутники Земли не падают на Землю?

Мощные ракеты наклонно по отношению к Земле забросили спутников на огромную высоту и разогнали их там до колоссальной скорости (8 километров в секунду). Спутникам лететь бы по прямой линии, по инерции, но сила земного притяжения, как невидимая верёвка, изменяет направление их полёта, не даёт улететь от Земли.

Почему спутник удерживается на орбите?

Спутник, находящийся на геостационарной орбите, неподвижен относительно поверхности Земли, поэтому его местоположение на орбите называется точкой стояния. В результате сориентированная на спутник и неподвижно закреплённая направленная антенна может сохранять постоянную связь с этим спутником длительное время.

Как спутники вращаются вокруг Земли?

Спутник вращается вокруг Земли, когда его скорость уравновешивается притяжением Земли, и без этого баланса спутник либо полетит прямо в космос, либо упадет обратно на Землю. Спутники вращаются вокруг Земли на разной высоте, с разной скоростью и по разным траекториям.

Как управляют спутниками?

Некоторые спутники начинают по эллипсу, а потом выходят на круговую орбиту. Другие движутся по эллиптическому пути, известному как орбита «Молния». Эти объекты, как правило, кружат с севера на юг через полюсы Земли и завершают полный облет за 12 часов.

Чем покрывают спутники?

Первые спутники делали из алюминиево-магниевого сплава, а затем стали создавать из титанового. В XXI веке металлы все чаще заменяют углепластиками — композиционными материалами, состоящими из углеродных волокон и полимерных смол.

Зачем нам нужны спутники?

Искусственные спутники Земли широко используются для научных исследований и прикладных задач, а также в образовании (в мире стали массовым явлением так называемые «университетские» ИСЗ) и хобби — радиолюбительские спутники.

Можно ли сбить спутник?

Это не запрещено, свой спутник можно уничтожить, снести его любым способом. Поэтому да, у России есть ракета, которая может сбить спутник. Индия и США сбивали спутники на низкой орбите, а Китай и Россия — на более высоких орбитах.

Сколько живет спутник?

Время существования (в сутках) спутника массой 100 кг и диаметром 1 метр.

Движение искусственных спутников Земли и космических аппаратов

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Движение искусственных спутников Земли и космических аппаратов»

На основании закона всемирного тяготения Ньютон первым теоретически обосновал возможность создания искусственного спутника Земли. Давайте вспомним, что искусственными спутниками называют космические аппараты, созданные людьми, которые позволяют наблюдать за планетой, около которой они вращаются, а также другими астрономическими объектами из космоса.

Чтобы понять, при каких условиях тело способно стать искусственным спутником Земли, обратимся к размышлениям Ньютона. Их суть такова: если бросить с высокой горы камень в горизонтальном направлении, то, двигаясь по ветви параболы, он со временем упадёт на Землю. Сообщив ему большую скорость, он упадёт дальше. Поскольку Земля имеет шарообразную форму, то одновременно с продвижением камня по его траектории поверхность Земли удаляется от него. Значит, можно подобрать такое значение скорости камня, при котором поверхность Земли из-за её кривизны будет удаляться от камня ровно на столько, на сколько камень приближается к Земле под действием силы тяжести. Тогда тело будет двигаться на постоянном расстоянии от поверхности Земли, то есть станет её искусственным спутником.

Так как за пределами атмосферы силы сопротивления движению спутнику отсутствуют, то на него будет действовать только сила притяжения к Земле. Поэтому спутник движется как свободно падающее тело с ускорением свободного падения.

Искусственным спутником Земли может стать любое тело произвольной массы. Важно, чтобы ему сообщили за пределами земной атмосферы горизонтальную скорость, при которой оно начнёт двигаться по окружности вокруг Земли.

Скорость, при достижении которой космический аппарат, запускаемый с Земли, может стать её искусственным спутником, называется первой космической скоростью:

По этой же формуле мы можем рассчитать и первую космическую скорость спутника для любой планеты, заменив в ней радиус и массу Земли на радиус и массу исследуемой планеты.

Вблизи поверхности Земли первую космическую скорость можно определить, как:

Приняв радиус равным 6371 км, а ускорение свободного падения — 9,8 м/с 2 , получим, что для Земли первая космическая скорость равна 7,9 км/с.

Именно такую скорость в горизонтальном направлении нужно сообщить телу на небольшой, сравнительно с радиусом Земли, высоте, чтобы оно не упало на Землю, а стало её спутником, движущимся по круговой орбите.

Возникает закономерный вопрос: «Почему же тогда свободно падающий спутник не падает на Землю?»

Примем для простоты расчётов, что ускорение свободного падения равно 10 м/с 2 , а скорость спутника — 8 км/с. Тогда за одну секунду свободного падения спутник пройдёт по направлению к Земле 5 метров и одновременно с этим переместиться перпендикулярно этому направлению на 8 километров. В результате этих двух движений спутник и движется по своей орбите.

Так, например, наша Луна уже более 4,5 миллиардов лет обращается вокруг Земли.

Восемь километров в секунду — это почти 29 000 километров в час! Сообщить телу такую скорость, конечно, не просто. Только в 1957 году советским учёным впервые в истории человечества удалось с помощью мощной ракеты сообщить телу массой около 85 килограмм первую космическую скорость, и оно стало первым искусственным спутником Земли.

Если телу сообщить скорость, большую, чем первая космическая на данной высоте, то орбита спутника будет представлять собой эллипс. И чем больше сообщённая телу скорость, тем более вытянутой будет его орбита.

Скорость, при достижении которой космический аппарат, запускаемый с Земли, может преодолеть земное притяжение и осуществить полёт к другим планетам Солнечной системы, называется второй космической скоростью.

Расчёты показывают, что для преодоления земного притяжения скорость космического аппарата должна быть больше первой космической скорости в корень из двух раз (без учёта сопротивления воздуха):

Третья космическая скорость, или гиперболическая скорость, — это наименьшая начальная скорость, с которой тело должно преодолеть земное притяжение и выйти на околосолнечную орбиту со скоростью, необходимой для того, чтобы навсегда покинуть пределы Солнечной системы:

В формуле — это орбитальная скорость нашей планеты.

Если в это уравнение подставить все известные величины и произвести вычисления, получим, что тело должно иметь минимальную скорость, примерно равную 16,7 км/с, чтобы начать двигаться по гиперболе и покинуть пределы Солнечной системы.

Конечно же, по записанным нами формулам можно рассчитывать космические скорости не только для Земли, но и других тел Солнечной системы. Для примера давайте определим первую и вторую космические скорости для Луны, если известна её масса и средний радиус.

Как мы уже упоминали, что практически осуществить запуск первого искусственного спутника Земли удалось 4 октября 1957 года, то есть спустя два с половиной столетия после открытия Ньютона. Сейчас же в околоземном пространстве движутся тысячи искусственных спутников Земли, запущенных учёными разных стран. Они обеспечивают непрерывный мониторинг погоды, различных природных явлений, трансляцию телевидения и так далее. А, например, спутниковая навигационная система ГЛОНАСС и другие системы глобального позиционирования позволяют определить координаты любой точки Земли с высокой степенью точностью.

Для полётов космических аппаратов к другим планетам и телам Солнечной системы необходимо производит очень точные расчёты траекторий с использованием законов небесной механики. При их запуске исходят из трёх основных соображений. Во-первых, геоцентрическая скорость космического аппарата при выходе на орбиту относительно Земли должна превышать вторую космическую скорость. Во-вторых, после преодоления притяжения Земли гелиоцентрическая орбита аппарата должна пересекаться с орбитой данной планеты (или другого небесного тела). А также необходимо подобрать такой момент запуска, чтобы орбита аппарата была наиболее оптимальной с точки зрения сроков полёта, затрат топлива и ряда других требований.

Одним из классов межпланетных траекторий являются энергетически оптимальные орбиты, которые соответствуют наименьшей геоцентрической скорости космических аппаратов в момент достижения границы сферы действия Земли.

Рассмотрим одну такую орбиту на примере Марса. Для простоты будем считать, что орбиты Марса и Земли являются круговыми. Для оптимального запуска нужно выбрать такой момент, когда орбитальная скорость Земли и скорость космического аппарата будут сонаправлены. При этом запускаемый аппарат и Марс, двигаясь по своим орбитам, должны одновременно достигнуть точки встречи.

Полученная нами орбита называется полуэллиптической или гомановской, в честь немецкого астронома Вальтера Гомана, занимавшегося теорией межпланетных полётов.

Теперь давайте рассчитаем время полёта Марса по этой полуэллиптической орбите, если его большая полуось равна 1,52 а. е.

Конструкция и оборудование современных космических аппаратов обеспечивают возможность совершения ими весьма сложных манёвров — выход на орбиту спутника планеты, посадка на планету и передвижение по её поверхности и т. п.