В момента в орбитата на Земята има повече от 1000 изкуствени спътника. Те изпълняват голямо разнообразие от задачи и имат различен дизайн. Но те имат едно общо нещо - спътниците се въртят около планетата и не падат.

Бързо обяснение

Всъщност спътниците падат на Земята през цялото време поради гравитацията. Но те винаги пропускат, защото имат странична скорост, зададена от инерцията при изстрелване.

Въртенето на спътник около Земята е неговото постоянно падащо минало.

Обяснение

Ако хвърлите топка във въздуха, топката се връща обратно. Това е така, защото земно притегляне- същата сила, която ни държи на Земята и ни пречи да излетим в открития космос.

Сателитите се изстрелват в орбита с ракети. Ракетата трябва да се ускори до 29 000 км/ч! Това е достатъчно бързо, за да преодолее силната гравитация и да избяга от земната атмосфера. След като ракетата достигне желаната точка над Земята, тя освобождава сателита.

Сателитът използва енергията, получена от ракетата, за да остане в движение. Това движение се нарича импулс.

Но как един сателит остава в орбита? Нямаше ли да лети направо в космоса?

Не точно. Дори когато сателитът е на хиляди километри, гравитацията на Земята продължава да го привлича. Гравитацията на Земята, съчетана с инерцията от ракетата, кара сателита да следва кръгова траектория около Земята - орбита.

Когато сателитът е в орбита, той има перфектен баланс между импулса и силата на земната гравитация. Но намирането на този баланс е доста трудно.

Гравитацията е по-силна, колкото по-близо е даден обект до Земята. А сателитите, които обикалят около Земята, трябва да се движат с много високи скорости, за да останат в орбита.

Например сателитът NOAA-20 обикаля само на няколкостотин километра над Земята. Той трябва да се движи с 27 300 км/ч, за да остане в орбита.

От друга страна, сателитът GOES-East на NOAA обикаля около Земята на височина от 35 405 км. За да преодолее гравитацията и да остане в орбита, се нуждае от скорост от около 10 780 км/ч.

МКС се намира на надморска височина от 400 км, така че нейната скорост е 27 720 км/ч

Сателитите могат да останат в орбита стотици години, така че не е нужно да се тревожим, че ще паднат на Земята.

Днес можем да излезем извън дома си рано сутрин или вечер и да видим ярка космическа станция да лети над нас. Въпреки че пътуването в космоса се превърна в обичайна част от съвременния свят, за много хора космосът и проблемите около него остават мистерия. Така например много хора не разбират защо сателитите не падат на Земята и не летят в космоса?

Елементарна физика

Ако хвърлим топка във въздуха, тя скоро ще се върне на Земята, както всеки друг обект, като самолет, куршум или дори балон.

За да разберем защо космически кораб може да обикаля около Земята, без да пада, поне при нормални обстоятелства, трябва да направим мисловен експеримент. Представете си, че сте на него, но няма въздух или атмосфера. Трябва да се отървем от въздуха, за да можем да направим нашия модел възможно най-прост. Сега ще трябва мислено да се изкачите до върха на висока планина с пистолет, за да разберете защо сателитите не падат на Земята.

Нека направим експеримент

Насочваме дулото точно хоризонтално и стреляме към западния хоризонт. Снарядът ще излети от дулото с голяма скорост и ще се насочи на запад. Веднага след като снарядът напусне цевта, той ще започне да се приближава до повърхността на планетата.

Тъй като гюлето се движи бързо на запад, то ще удари земята на известно разстояние от върха на планината. Ако продължим да увеличаваме мощността на пистолета, снарядът ще падне на земята много по-далеч от точката на изстрел. Тъй като нашата планета има формата на топка, всеки път, когато куршум излезе от дулото, той ще падне още повече, защото планетата също продължава да се върти около оста си. Ето защо спътниците не падат на Земята поради гравитацията.

Тъй като това е мисловен експеримент, можем да направим стрелбата с пистолет по-мощна. В крайна сметка можем да си представим ситуация, в която снарядът се движи със същата скорост като планетата.

При тази скорост, без въздушно съпротивление, което да го забавя, снарядът ще продължи да обикаля около Земята завинаги, докато непрекъснато пада към планетата, но Земята също ще продължи да пада със същата скорост, сякаш „избяга“ от снаряда. Това състояние се нарича свободно падане.

На практика

В реалния живот всичко не е толкова просто, колкото в нашия мисловен експеримент. Сега трябва да се справим със съпротивлението на въздуха, което кара снаряда да се забави, което в крайна сметка го лишава от скоростта, от която се нуждае, за да остане в орбита и да избегне падането на Земята.

Дори на разстояние от няколкостотин километра от повърхността на Земята, все още има известно въздушно съпротивление, което действа върху спътниците и космическите станции и ги кара да забавят. Това съпротивление в крайна сметка кара космическия кораб или сателита да навлезе в атмосферата, където обикновено изгаря поради триене с въздуха.

Ако космическите станции и другите спътници нямаха ускорението, което да ги изтласка по-високо в орбита, всички те щяха да паднат неуспешно на Земята. По този начин скоростта на сателита се регулира така, че да пада към планетата със същата скорост, с която планетата се извива от сателита. Ето защо сателитите не падат на Земята.

Взаимодействие на планетите

Същият процес се отнася и за нашата Луна, която се движи в орбита на свободно падане около Земята. Всяка секунда Луната се приближава до Земята с около 0,125 см, но в същото време повърхността на нашата сферична планета се измества на същото разстояние, избягвайки Луната, така че те остават в своите орбити една спрямо друга.

Няма нищо магическо в орбитите или свободното падане; те само обясняват защо сателитите не падат на Земята. Това е просто гравитация и скорост. Но това е невероятно интересно, точно както всичко останало, свързано с космоса.

Авторско право на илюстрация Getty Images

Количеството космически отпадъци в ниска околоземна орбита непрекъснато нараства. Колумнистът реши да разбере какво се случва, когато отработени сателити паднат на Земята. Германски учени изучават този проблем.

Сградата, в която Вилемс ще ми покаже „най-интересните неща“, принадлежи на института за аеродинамични изследвания на Германския авиационен и космически център (DLR), разположен в Кьолн.

Вилемс също изброява контролния център на аеродинамичния тунел с огромно старо дистанционно управление, което има много сензори, превключватели и бутони, като „не най-интересното“.

Минавайки покрай масивна взривна врата, влизаме в стая без прозорци. Стените са покрити със сажди, а във въздуха ясно се усеща миризмата на барут.

Тук се провеждат аеродинамични тестове на ракетни двигатели.

Но това, както се оказва, не е най-интересното.

Вилемс извършва своите „най-интересни“ експерименти в един от аеродинамичните тунели на центъра на Кьолн. Той симулира излитането на сателит от земната орбита.

„Сега има огромен брой изкуствени спътници, които обикалят Земята и всички те рано или късно ще напуснат орбитата“, обяснява Вилемс.

Възможно ли е сателитни отломки, които не са изгорели в атмосферата, да паднат върху нещо - или някого?

"Когато космическите кораби навлязат в атмосферата, те се унищожават. Интересуваме се каква е вероятността техните фрагменти да оцелеят."

С други думи, биха могли отломки от използвани сателити, които не са изгорели в атмосферата, да паднат върху нещо - или някого - на Земята?

Аеродинамичният тунел, монтиран на бетонен под, който беше предназначен за експериментите на Вилемс, прилича на огромна, полуразглобена прахосмукачка, свързана с параход.

Блестящият модул е ​​покрит с мрежа от тръби и електрически проводници. Обикновено тази тръба се използва за продухване на модели на свръхзвукови и хиперзвукови самолети - скоростта на въздушния поток, създаден в нея, може да надвишава скоростта на звука 11 пъти.

Все повече и повече сателити ще падат от небето

Самата „тръба“ представлява сферична метална камера с височина два метра, вътре в която в специални скоби са закрепени модели за продухване.

Но Вилемс не се нуждае от скоби - той просто хвърля предмети в тръба, през която въздухът тече в обратна посока със скорост около 3000 км/ч (което е два пъти скоростта на звука).

Авторско право на илюстрация Getty ImagesНадпис на изображението По правило спътниците се унищожават при навлизане в атмосферата.

По този начин се симулира полетът на сателит, излизащ от орбитата през земната атмосфера.

„Поставяме обекти във въздушен поток, за да видим как се държат при симулирано свободно падане“, казва Вилемс.

„Продължителността на всеки експеримент е само 0,2 секунди, но това е достатъчно време, за да се направят много снимки и необходимите измервания.“

Данните, получени по време на експериментите, ще бъдат въведени в компютърни модели, благодарение на които ще може по-точно да се прогнозира поведението на космическите кораби при напускане на орбита. ( В това видео DLRбеше симулирано унищожаването на сателита Rosat в земната атмосфера.)

В момента има около 500 000 парчета орбитални отломки, които обикалят около Земята, вариращи от малки метални фрагменти до цели космически кораби с размерите на автобуси, като например сателита Envisat на Европейската космическа агенция, който внезапно спря да работи през април 2012 г.

„Като цяло броят на отломките, чиито траектории проследяваме, расте“, казва Хю Луис, старши преподавател по авиационна и ракетна наука в британския университет в Саутхемптън.

С нарастването на обема на орбиталните отломки ще се увеличи и вероятността от сблъсъци с работещи сателити или пилотирани космически кораби.

Проблемът с орбиталните отпадъци ще остане актуален още дълго време

Още сега по тази причина орбитата на Международната космическа станция трябва периодично да се коригира.

"Фрагменти от отработени летателни апарати излизат от орбита от началото на изследването на космоса - каза Луис. - Обикновено голям обект навлиза в атмосферата веднъж на всеки три до четири дни и този проблем ще остане актуален дълго време."

Въпреки че спътниците в атмосферата се унищожават от претоварване и високи температури, някои големи отломки падат на Земята относително непокътнати.

"Например резервоарите за гориво - казва Луис. - Някои космически кораби ги имат с размерите на малка кола."

Авторско право на илюстрация Getty ImagesНадпис на изображението Повечето отработени спътници са деорбитирани, така че да се разпаднат в атмосферата над необитаеми океански зони.

Въпреки че Вилемс не хвърля коли в аеродинамичен тунел, целта му е да види как се държат големи обекти, когато са унищожени, и кои от техните фрагменти теоретично могат да достигнат земната повърхност.

„Потокът около един компонент влияе върху потока около съседните му", обяснява той. „В зависимост от това дали те падат на Земята поотделно или като група, степента на вероятност от пълното им изгаряне в атмосферата също се променя."

Но ако космическите отпадъци напускат орбитата толкова често, защо техните отломки не пробиват покривите на къщите и не падат върху главите ни?

В повечето случаи отговорът е, че отработените сателити целенасочено се деорбитират с помощта на остатъчно гориво на борда.

Вероятността парче сателит да падне върху вас е изключително ниска

В този случай траекториите на спускане се изчисляват по такъв начин, че спътниците да изгорят в атмосферата над необитаеми райони на океаните.

Но непланираните деорбити представляват много по-голяма опасност.

Един от последните подобни случаи беше непланираното деорбитиране на сателита за изследване на горната атмосфера (UARS) на американската космическа агенция НАСА през 2011 г.

Въпреки факта, че 70% от Земята е покрита с океани и големи площи от сушата все още са слабо населени, вероятността падането на UARS да доведе до унищожение на Земята е, според оценките на НАСА, 1 към 2500, отбелязва Луис.

„Това е много висок процент – започваме да се тревожим, когато възможният риск за населението е 1 на 10 000“, казва той.

"Ние не говорим за факта, че парче сателит ще падне върху вас - вероятността за това е незначителна. Това, което имаме предвид, е вероятността то да падне върху някого по принцип."

Като се има предвид, че повече от един милион души умират при автомобилни катастрофи по света всяка година, вероятността част от орбитален отломък да причини значителни разрушения на Земята е много малка.

Колкото повече сателити са пуснати в орбита, толкова повече от тях ще я напуснат

И все пак не се пренебрегва, тъй като страната, която изстрелва космически кораби, в съответствие със споразуменията на ООН, носи правна и финансова отговорност за всички щети, причинени от подобни дейности.

Поради тази причина космическите агенции се стремят да минимизират рисковете, свързани с обекти, падащи от орбита.

Експериментите на DLR ще помогнат на учените да разберат по-добре и да наблюдават по-отблизо поведението на космическите отпадъци, включително по време на непланирани деорбити.

Цената на космическите изстрелвания постепенно пада, а сателитите стават все по-миниатюрни, така че техният брой ще се увеличава само през следващите десетилетия.

„Човечеството все повече използва космоса, но проблемът с орбиталните отломки се влошава", казва Луис. „Колкото повече сателити се извеждат в орбита, толкова повече ще бъдат отстранени от нея."

С други думи, въпреки че вероятността да бъдете ударени от отломки от космически кораб остава незначителна, все повече и повече сателити ще падат от небето.

Никой обект, изстрелян в ниска околоземна орбита, не може да остане там завинаги.

Или защо сателитите не падат? Орбитата на спътника представлява деликатен баланс между инерция и гравитация. Силата на гравитацията непрекъснато дърпа сателита към Земята, докато инерцията на спътника се стреми да поддържа движението му право. Ако нямаше гравитация, инерцията на спътника щеше да го изпрати директно от земната орбита в открития космос. Във всяка точка от орбитата обаче гравитацията държи сателита привързан.

За да се постигне баланс между инерция и гравитация, спътникът трябва да има строго определена скорост. Ако лети твърде бързо, инерцията преодолява гравитацията и спътникът напуска орбитата. (Изчисляването на така наречената втора евакуационна скорост, която позволява на спътника да напусне околоземната орбита, играе важна роля при изстрелването на междупланетни космически станции.) Ако спътникът се движи твърде бавно, гравитацията ще спечели битката с инерцията и спътникът ще падне на Земята. Точно това се случва през 1979 г., когато американската орбитална станция Skylab започва да намалява в резултат на нарастващото съпротивление на горните слоеве на земната атмосфера. Уловена в желязната хватка на гравитацията, станцията скоро падна на Земята.

Скорост и разстояние

Тъй като гравитацията на Земята отслабва с разстоянието, скоростта, необходима за поддържане на сателит в орбита, варира в зависимост от надморската височина. Инженерите могат да изчислят колко бързо и на каква височина трябва да орбитира сателит. Например геостационарен спътник, винаги разположен над една и съща точка на земната повърхност, трябва да направи една обиколка за 24 часа (което съответства на времето на едно завъртане на Земята около оста си) на височина 357 километра.

Гравитация и инерция

Балансирането на сателит между гравитацията и инерцията може да се симулира чрез въртене на тежест върху въже, прикрепено към него. Инерцията на товара се стреми да го отдалечи от центъра на въртене, докато напрежението на въжето, действащо като гравитация, поддържа товара в кръгова орбита. Ако въжето се среже, товарът ще отлети по права траектория, перпендикулярна на радиуса на неговата орбита.

Прости въпроси. Книга, подобна на енциклопедия Антонец Владимир Александрович

Защо сателитите не падат на Земята?

Отговорът на този въпрос се дава още в училище. В същото време те обикновено обясняват и как възниква безтегловността. Всичко това е толкова несъвместимо с интуицията, основана на опита от земния живот, че е трудно за разбиране. И затова, когато училищните знания ерозират (има дори такъв педагогически термин - „остатъчно знание“), хората отново се чудят защо сателитите не падат на Земята и в космическия кораб по 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 въздействието на Слънцето върху Земята е огромно - приблизително 3,6 милиарда милиарда тона. Между другото, човек с тегло 75 kg е привлечен от Слънцето със сила около 50 g.

Движението на телата се подчинява на законите на Нютон с много висока точност. Съгласно тези закони две взаимодействащи тела, които не се влияят от външни сили, могат да бъдат в покой едно спрямо друго само ако силите на тяхното взаимодействие са балансирани. Успяваме да стоим неподвижно на земната повърхност, защото силата на гравитацията точно се компенсира от силата на натиск на земната повърхност върху повърхността на нашето тяло. В същото време Земята и тялото ни се деформират, поради което чувстваме 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 ускорили някакво тяло, насочвайки движението му успоредно на повърхността на Земята. Ако началната скорост е била по-малка от 7,9 km/s, т.е. по-малка от така наречената първа космическа скорост, тогава под въздействието на гравитацията скоростта на тялото ще започне да се променя както по величина, така и по посока и със сигурност ще падне до 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, а величината ще остане постоянна. Както разбирате, това е възможно само ако тялото се движи в затворен кръг, чийто диаметър е толкова по-голям, колкото по-близо е скоростта до втората космическа скорост. Това означава, че тялото се е превърнало в изкуствен спътник на Земята. При определени условия движението ще се извършва не по кръгова пътека, а по удължена елипсовидна пътека.

Ако тяло в района на Земята бъде ускорено в посока, перпендикулярна на сегмента, свързващ Земята със Слънцето, до скорост 42 km/s, то ще напусне Слънчевата система завинаги. Орбиталната скорост на Земята е 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 въвеждащ фрагмент.