V súčasnosti je na obežnej dráhe Zeme viac ako 1000 umelých satelitov. Vykonávajú širokú škálu úloh a majú rôzny dizajn. Jedno však majú spoločné – satelity sa točia okolo planéty a nepadajú.

Rýchle vysvetlenie

V skutočnosti satelity neustále padajú na Zem kvôli gravitácii. Ale vždy minú, pretože majú bočnú rýchlosť nastavenú zotrvačnosťou pri štarte.

Rotácia družice okolo Zeme je jej neustálym klesaním.

Vysvetlenie

Ak hodíte loptu do vzduchu, lopta sa vráti späť. To je preto, že gravitácia- rovnaká sila, ktorá nás drží na Zemi a bráni nám letieť do vesmíru.

Satelity vynášajú na obežnú dráhu rakety. Raketa musí zrýchliť až 29 000 km/h! To je dostatočne rýchle na to, aby prekonalo silnú gravitáciu a uniklo zo zemskej atmosféry. Keď raketa dosiahne požadovaný bod nad Zemou, vypustí satelit.

Satelit využíva energiu prijatú z rakety, aby zostal v pohybe. Tento pohyb sa nazýva impulz.

Ale ako sa satelit udrží na obežnej dráhe? Neletel by rovno do vesmíru?

Nie naozaj. Aj keď je satelit vzdialený tisíce kilometrov, zemská gravitácia ho stále ťahá. Zemská gravitácia v kombinácii s hybnosťou z rakety spôsobuje, že satelit sleduje kruhovú dráhu okolo Zeme - obežná dráha.

Keď je satelit na obežnej dráhe, má dokonalú rovnováhu medzi hybnosťou a silou zemskej gravitácie. Ale nájsť túto rovnováhu je dosť ťažké.

Gravitácia je tým silnejšia, čím bližšie je objekt k Zemi. A satelity, ktoré obiehajú okolo Zeme, musia cestovať veľmi vysokou rýchlosťou, aby zostali na obežnej dráhe.

Napríklad družica NOAA-20 obieha len niekoľko stoviek kilometrov nad Zemou. Aby sa udržal na obežnej dráhe, musí cestovať rýchlosťou 27 300 km/h.

Na druhej strane satelit GOES-East spoločnosti NOAA obieha okolo Zeme vo výške 35 405 km. Na prekonanie gravitácie a zotrvanie na obežnej dráhe potrebuje rýchlosť asi 10 780 km/h.

ISS sa nachádza vo výške 400 km, takže jej rýchlosť je 27 720 km/h

Satelity môžu zostať na obežnej dráhe stovky rokov, takže sa nemusíme báť, že spadnú na Zem.

Dnes môžeme skoro ráno alebo večer vyjsť z domu a vidieť nad hlavou lietať jasnú vesmírnu stanicu. Hoci sa vesmírne cestovanie stalo bežnou súčasťou moderného sveta, pre mnohých ľudí zostáva vesmír a problémy okolo neho záhadou. Takže napríklad veľa ľudí nechápe, prečo satelity nepadajú na Zem a nelietajú do vesmíru?

Elementárna fyzika

Ak vyhodíme loptu do vzduchu, čoskoro sa vráti na Zem, rovnako ako akýkoľvek iný objekt, napríklad lietadlo, guľka alebo dokonca balón.

Aby sme pochopili, prečo je vesmírna loď schopná obiehať okolo Zeme bez pádu, aspoň za normálnych okolností, musíme urobiť myšlienkový experiment. Predstavte si, že ste na ňom, ale nie je tam žiadny vzduch ani atmosféra. Musíme sa zbaviť vzduchu, aby sme mohli náš model čo najviac zjednodušiť. Teraz budete musieť mentálne vyliezť na vrchol vysokej hory so zbraňou, aby ste pochopili, prečo satelity nepadajú na Zem.

Urobme experiment

Hlaveň pištole namierime presne vodorovne a strieľame smerom k západnému horizontu. Projektil veľkou rýchlosťou vyletí z ústia a zamieri na západ. Hneď ako projektil opustí hlaveň, začne sa približovať k povrchu planéty.

Keď sa delová guľa rýchlo pohybuje na západ, dopadne na zem v určitej vzdialenosti od vrcholu hory. Ak budeme pokračovať vo zvyšovaní výkonu pištole, projektil dopadne na zem oveľa ďalej od miesta streľby. Keďže naša planéta má tvar lopty, zakaždým, keď guľka opustí papuľu, klesne ďalej, pretože planéta sa tiež naďalej otáča okolo svojej osi. To je dôvod, prečo satelity nepadajú na Zem v dôsledku gravitácie.

Keďže ide o myšlienkový experiment, môžeme streľbu zosilniť. Veď si vieme predstaviť situáciu, v ktorej sa projektil pohybuje rovnakou rýchlosťou ako planéta.

Touto rýchlosťou, bez odporu vzduchu, ktorý by ju spomalil, bude projektil naďalej obiehať Zem navždy, keď bude nepretržite klesať smerom k planéte, ale Zem bude tiež pokračovať v páde rovnakou rýchlosťou, akoby „unikla“ projektilu. Tento stav sa nazýva voľný pád.

Na praxi

V skutočnom živote nie je všetko také jednoduché ako v našom myšlienkovom experimente. Teraz sa musíme vysporiadať s odporom vzduchu, ktorý spôsobuje spomalenie projektilu, čo ho v konečnom dôsledku oberá o rýchlosť, ktorú potrebuje na to, aby zostal na obežnej dráhe a nespadol na Zem.

Aj vo vzdialenosti niekoľkých stoviek kilometrov od povrchu Zeme stále existuje určitý odpor vzduchu, ktorý pôsobí na satelity a vesmírne stanice a spôsobuje ich spomalenie. Tento odpor nakoniec spôsobí, že kozmická loď alebo satelit vstúpi do atmosféry, kde zvyčajne zhorí v dôsledku trenia so vzduchom.

Ak by vesmírne stanice a iné satelity nemali zrýchlenie, ktoré by ich posunulo vyššie na obežnú dráhu, všetky by neúspešne dopadli na Zem. Rýchlosť satelitu je teda upravená tak, aby padal smerom k planéte rovnakou rýchlosťou, akou sa planéta odkláňa od satelitu. To je dôvod, prečo satelity nepadajú na Zem.

Interakcia planét

Rovnaký proces platí aj pre náš Mesiac, ktorý sa pohybuje na obežnej dráhe voľného pádu okolo Zeme. Každú sekundu sa Mesiac priblíži k Zemi asi o 0,125 cm, no zároveň sa povrch našej guľovej planéty posunie o rovnakú vzdialenosť, vyhne sa Mesiacu, takže zostanú voči sebe na svojich dráhach.

Na obežných dráhach alebo voľnom páde nie je nič magické, iba vysvetľujú, prečo satelity nepadajú na Zem. Je to len gravitácia a rýchlosť. Ale je to neuveriteľne zaujímavé, rovnako ako všetko ostatné, čo súvisí s vesmírom.

Autorské práva na ilustráciu Getty Images

Množstvo vesmírneho odpadu na nízkej obežnej dráhe Zeme neustále rastie. Fejetonista sa rozhodol zistiť, čo sa stane, keď na Zem spadnú opotrebované satelity. Nemeckí vedci tento problém skúmajú.

Budova, v ktorej mi Willems ukáže „to najzaujímavejšie“, patrí inštitútu pre aerodynamický výskum Nemeckého leteckého a vesmírneho centra (DLR) so sídlom v Kolíne nad Rýnom.

Willems tiež uvádza riadiace centrum aerodynamického tunela s obrovským starým diaľkovým ovládačom, ktorý má veľa senzorov, spínačov a tlačidiel, ako „nie najzaujímavejšie“.

Prechádzame masívnymi dverami odolnými proti výbuchu a vchádzame do miestnosti bez okien. Steny sú pokryté sadzami a vo vzduchu je zreteľne cítiť zápach strelného prachu.

Vykonávajú sa tu aerodynamické skúšky raketových motorov.

Ale to, ako sa ukázalo, nie je najzaujímavejšie.

Willems vykonáva svoje „najzaujímavejšie“ experimenty v jednom z aerodynamických tunelov kolínskeho centra. Simuluje odchod družice z obežnej dráhy Zeme.

„Teraz okolo Zeme obieha obrovské množstvo umelých satelitov a všetky skôr či neskôr opustia obežnú dráhu,“ vysvetľuje Willems.

Mohli by trosky satelitov, ktoré nezhoreli v atmosfére, spadnúť na niečo – alebo na niekoho?

"Keď kozmické lode vstúpia do atmosféry, sú zničené. Zaujíma nás, aká je pravdepodobnosť, že ich úlomky prežijú."

Inými slovami, mohli by úlomky z opotrebovaných satelitov, ktoré nezhoreli v atmosfére, dopadnúť na niečo – alebo niekoho – na Zemi?

Veterný tunel inštalovaný na betónovej podlahe, ktorý bol vyčlenený na Willemsove experimenty, pripomína obrovský, napoly rozobratý vysávač pripojený k parníku.

Lesklá jednotka je pokrytá sieťou potrubí a elektrických drôtov. Toto potrubie sa zvyčajne používa na prefukovanie modelov nadzvukových a nadzvukových lietadiel - rýchlosť prúdu vzduchu, ktorý sa v ňom vytvára, môže 11-krát prekročiť rýchlosť zvuku.

Z neba bude padať čoraz viac satelitov

Samotná „rúrka“ je guľovitá kovová komora vysoká dva metre, vo vnútri ktorej sú modely na čistenie upevnené v špeciálnych svorkách.

Willems ale svorky nepotrebuje – predmety jednoducho hádže do potrubia, ktorým prúdi vzduch opačným smerom rýchlosťou asi 3000 km/h (čo je dvojnásobok rýchlosti zvuku).

Autorské práva na ilustráciu Getty Images Popis obrázku Satelity sú spravidla zničené pri vstupe do atmosféry.

Takýmto spôsobom sa simuluje let družice deorbitujúcej cez zemskú atmosféru.

„Dávame predmety do prúdu vzduchu, aby sme videli, ako sa správajú pri simulovanom voľnom páde,“ hovorí Willems.

"Trvanie každého experimentu je len 0,2 sekundy, ale to je dostatočný čas na zhotovenie mnohých obrázkov a potrebných meraní."

Údaje získané počas experimentov budú vložené do počítačových modelov, vďaka čomu bude možné presnejšie predpovedať správanie kozmických lodí pri opustení obežnej dráhy. ( V tomto videu DLR bolo simulované zničenie satelitu Rosat v zemskej atmosfére.)

V súčasnosti obieha okolo Zeme približne 500 000 kusov orbitálneho odpadu, od malých kovových úlomkov až po celé kozmické lode veľkosti autobusov, ako je napríklad satelit Európskej vesmírnej agentúry Envisat, ktorý v apríli 2012 náhle prestal fungovať.

"Celkovo počet úlomkov, ktorých trajektórie sledujeme, rastie," hovorí Huw Lewis, docent v oblasti lietadiel a rakiet na britskej University of Southampton.

S rastúcim objemom orbitálneho odpadu sa bude zvyšovať aj pravdepodobnosť kolízií s prevádzkovanými satelitmi alebo pilotovanými kozmickými loďami.

Problém orbitálnych úlomkov zostane relevantný ešte dlho

Už teraz sa z tohto dôvodu musí obežná dráha Medzinárodnej vesmírnej stanice pravidelne upravovať.

„Fragmenty opotrebovaných vozidiel odchádzajú z obežnej dráhy od začiatku vesmírneho prieskumu," povedal Lewis. „Obvykle sa veľký objekt dostane do atmosféry raz za tri až štyri dni a tento problém zostane relevantný ešte dlho."

Hoci satelity v atmosfére sú zničené preťažením a vysokými teplotami, niektoré veľké úlomky padajú na Zem relatívne neporušené.

„Napríklad palivové nádrže," hovorí Lewis. „Niektoré kozmické lode majú veľkosť malého auta."

Autorské práva na ilustráciu Getty Images Popis obrázku Väčšina použitých satelitov je deorbitovaná tak, že sa rozpadnú v atmosfére nad neobývanými oceánskymi oblasťami.

Willems síce nehádže autá do aerodynamického tunela, no jeho cieľom je zistiť, ako sa pri zničení správajú veľké objekty a ktoré z ich úlomkov by sa teoreticky mohli dostať na zemský povrch.

"Prúdenie okolo jednej zložky ovplyvňuje prúdenie okolo jej susedov," vysvetľuje. "V závislosti od toho, či dopadnú na Zem jednotlivo alebo ako skupina, sa mení aj stupeň pravdepodobnosti ich úplného spálenia v atmosfére."

Ale ak vesmírny odpad tak často opúšťa obežnú dráhu, prečo jeho odpad nepreráža strechy domov a nepadá na naše hlavy?

Vo väčšine prípadov je odpoveďou, že vyhoreté satelity sú zámerne deorbitované pomocou zvyškového palubného paliva.

Pravdepodobnosť, že na vás spadne kus satelitu, je extrémne nízka

V tomto prípade sú zostupové trajektórie vypočítané tak, že satelity zhoria v atmosfére nad neobývanými oblasťami oceánov.

Oveľa väčšie nebezpečenstvo však predstavujú neplánované deorbity.

Jedným z posledných takýchto prípadov bol neplánovaný deorbit satelitu UARS (Upper Atmosphere Research Satellite) americkej vesmírnej agentúry NASA v roku 2011.

Napriek tomu, že 70 % Zeme pokrývajú oceány a veľké plochy súše sú stále riedko osídlené, pravdepodobnosť, že pád UARS by viedol k zničeniu Zeme, bola podľa odhadov NASA 1 ku 2 500, poznamenáva Lewis.

"Ide o veľmi vysoké percento - začíname sa obávať, keď je možné riziko pre obyvateľstvo 1 z 10 000," hovorí.

"Nehovoríme o tom, že na vás spadne kus satelitu - pravdepodobnosť toho je zanedbateľná. Máme na mysli pravdepodobnosť, že na niekoho spadne v princípe."

Ak vezmeme do úvahy, že každý rok na svete zomrie pri dopravných nehodách viac ako milión ľudí, pravdepodobnosť, že kus orbitálneho odpadu spôsobí na Zemi značné zničenie, je veľmi malá.

Čím viac satelitov sa dostane na obežnú dráhu, tým viac ich opustí

A predsa to nie je zanedbávané, keďže krajina, ktorá vypúšťa kozmickú loď, v súlade s dohodami OSN nesie právnu a finančnú zodpovednosť za akékoľvek škody spôsobené takouto činnosťou.

Z tohto dôvodu sa vesmírne agentúry snažia minimalizovať riziká spojené s pádom predmetov z obežnej dráhy.

Experimenty DLR pomôžu vedcom lepšie pochopiť a dôkladnejšie sledovať správanie sa vesmírneho odpadu, a to aj počas neplánovaných deorbitov.

Náklady na štarty do vesmíru postupne klesajú a satelity sú čoraz miniatúrnejšie, takže ich počet bude v najbližších desaťročiach len narastať.

"Ľudstvo čoraz viac využíva vesmír, ale problém orbitálneho odpadu sa zhoršuje," hovorí Lewis. "Keď sa na obežnú dráhu dostane viac satelitov, viac sa z nej odstráni."

Inými slovami, hoci pravdepodobnosť zásahu úlomkami kozmickej lode zostáva zanedbateľná, z neba bude padať čoraz viac satelitov.

Žiadny objekt vypustený na nízku obežnú dráhu Zeme tam nemôže zostať navždy.

Alebo prečo nepadajú satelity? Dráha satelitu je krehkou rovnováhou medzi zotrvačnosťou a gravitáciou. Gravitačná sila neustále ťahá satelit smerom k Zemi, zatiaľ čo zotrvačnosť satelitu má tendenciu udržiavať jeho pohyb rovno. Ak by neexistovala gravitácia, zotrvačnosť satelitu by ho poslala priamo z obežnej dráhy Zeme do vesmíru. V každom bode obežnej dráhy však gravitácia udržuje satelit pripútaný.

Na dosiahnutie rovnováhy medzi zotrvačnosťou a gravitáciou musí mať satelit presne definovanú rýchlosť. Ak letí príliš rýchlo, zotrvačnosť prekoná gravitáciu a satelit opustí obežnú dráhu. (Výpočet tzv. druhej únikovej rýchlosti, ktorá umožňuje družici opustiť obežnú dráhu Zeme, zohráva dôležitú úlohu pri štarte medziplanetárnych vesmírnych staníc.) Ak sa družica pohybuje príliš pomaly, gravitácia vyhrá boj so zotrvačnosťou a družica bude spadnúť na Zem. Presne to sa stalo v roku 1979, keď americká orbitálna stanica Skylab začala upadať v dôsledku rastúceho odporu vrchných vrstiev zemskej atmosféry. Stanica chytená v železnom zovretí gravitácie čoskoro spadla na Zem.

Rýchlosť a vzdialenosť

Pretože zemská gravitácia so vzdialenosťou slabne, rýchlosť potrebná na udržanie satelitu na obežnej dráhe sa mení s nadmorskou výškou. Inžinieri vedia vypočítať, ako rýchlo a ako vysoko by mal satelit obiehať. Napríklad geostacionárna družica, umiestnená vždy nad tým istým bodom na zemskom povrchu, musí vykonať jeden obeh za 24 hodín (čo zodpovedá dobe jednej otáčky Zeme okolo svojej osi) vo výške 357 kilometrov.

Gravitácia a zotrvačnosť

Vyváženie satelitu medzi gravitáciou a zotrvačnosťou možno simulovať otáčaním závažia na lane, ktoré je k nemu pripojené. Zotrvačnosť bremena má tendenciu ho posúvať preč od stredu otáčania, zatiaľ čo napätie lana pôsobiace ako gravitácia udržuje bremeno na kruhovej dráhe. Ak sa lano prereže, náklad odletí po priamej dráhe kolmej na polomer jeho obežnej dráhy.

Jednoduché otázky. Kniha podobná encyklopédii Antonets Vladimir Aleksandrovich

Prečo satelity nepadajú na Zem?

Odpoveď na túto otázku dostanete v škole. Zároveň väčšinou vysvetľujú aj to, ako beztiažový stav vzniká. To všetko je tak v rozpore s intuíciou založenou na skúsenostiach z pozemského života, že je to ťažké pochopiť. A preto, keď školské vedomosti erodujú (existuje aj taký pedagogický pojem - „zvyškové vedomosti“), ľudia sa opäť čudujú, prečo satelity nepadajú na Zem a vo vnútri kozmickej lode počas letu vzniká beztiažový stav.

Mimochodom, ak dokážeme odpovedať na tieto otázky, tak si zároveň ujasníme, prečo Mesiac nepadá na Zem a Zem zase nepadá na Slnko, hoci gravitačná sila tzv. Slnko pôsobiace na Zem je obrovské - približne 3,6 miliardy miliárd ton. Mimochodom, človeka s hmotnosťou 75 kg priťahuje Slnko silou asi 50 g.

Pohyb telies sa riadi Newtonovými zákonmi s veľmi vysokou presnosťou. Podľa týchto zákonov môžu byť dve interagujúce telesá, ktoré nie sú ovplyvnené žiadnymi vonkajšími silami, vo vzájomnom pokoji len vtedy, ak sú sily ich vzájomného pôsobenia vyrovnané. Na zemskom povrchu sa nám darí stáť nehybne, pretože sila gravitácie je presne kompenzovaná silou tlaku zemského povrchu na povrch nášho tela. Zem a naše telo sú zároveň zdeformované, a preto cítime ťažkosť. Ak napríklad začneme zdvíhať nejaký druh bremena, jeho váhu pocítime napätím svalov a deformáciou tela, cez ktoré sa bremeno opiera o zem.

Ak nedôjde k takejto kompenzácii síl, telesá sa začnú voči sebe pohybovať. Tento pohyb má vždy premenlivú rýchlosť a môže sa meniť ako veľkosť rýchlosti, tak aj jeho smer. Teraz si predstavte, že sme zrýchlili nejaké teleso, ktoré smeruje jeho pohyb rovnobežne s povrchom Zeme. Ak bola štartovacia rýchlosť menšia ako 7,9 km/s, teda menšia ako takzvaná prvá kozmická rýchlosť, tak vplyvom gravitácie sa rýchlosť telesa začne meniť vo veľkosti aj smere a určite klesne na Zem. Ak bola rýchlosť zrýchlenia väčšia ako 11,2 km/s, teda druhá kozmická rýchlosť, teleso odletí a na Zem sa už nevráti.

Ak bola rýchlosť väčšia ako prvá, ale menšia ako druhá kozmická rýchlosť, potom pri pohybe telesa sa zmení iba smer rýchlosti a veľkosť zostane konštantná. Ako viete, je to možné iba vtedy, ak sa teleso pohybuje v uzavretom kruhu, ktorého priemer je tým väčší, čím je rýchlosť bližšie k druhej kozmickej rýchlosti. To znamená, že teleso sa stalo umelým satelitom Zeme. Za určitých podmienok nebude pohyb prebiehať po kruhovej dráhe, ale po predĺženej eliptickej dráhe.

Ak sa teleso v oblasti Zeme zrýchli v smere kolmom na segment spájajúci Zem so Slnkom na rýchlosť 42 km/s, Slnečnú sústavu navždy opustí. Obežná rýchlosť Zeme je len 29 km/s, takže, našťastie, nemôže od Slnka ani odletieť, ani naň spadnúť a navždy zostane jej satelitom.

Tento text je úvodným fragmentom.