Почему спутники не падают на Землю

Почему спутники не падают на Землю

«Пионерская правда» № 95 от 19 ноября 1957 г.

Консультацию ведёт профессор К. П.СТАНЮКОВИЧ

Отвечаем на вопросы о спутниках

Почему спутники не падают на Землю,
а вращаются вокруг неё? — спрашивает Ваня ТОПЧИЕВ

из города Гурьева, Казахской ССР.

Этот вопрос оказался са­мым волнующим не только для Вани, но и для многих других ребят, приславших нам письма.

«Как это так, — удивляют­ся они, — спутник без мо­тора, а вот уже пятьдесят дней носится вокруг нашей планеты? Да ещё с какой быстротой! 805 раз облетел первый спутник земной шар».

Да, две новые, маленькие, луны — это «чудо», кото­рое сотворил человек! Он же, человек, зная законы природы, может и объяс­нить это «чудо».

Раскройте первую часть вашего учебника физики. Всё, что вы прочтёте в нём о весе, движении и инерции, поможет вам понять, поче­му спутники не падают на Землю. Запуская спутников, учёные использовали зако­ны физики, уже хорошо из­вестные многим из вас.

Вы бросили камень вверх — он сразу же упал вниз, на Землю. Почему же он упал? Учебник говорит, что Земля, как магнит, при­тянула камень к себе. Сила, с которой Земля притягива­ет к себе предметы, это и есть вес, тяжесть. Выходит, чтобы спутник не падал, он должен ничего не весить. И учёные сделали его невесомым. Им помог в этом закон инерции. Поставьте такой опыт. Возьмите ве­рёвку и привяжите к её концу небольшую гайку. По­том попробуйте быстро вра­щать верёвку над головой. Вы почувствуете, как какая-то сила натягивает её. И чем быстрее вы вращаете, тем сильнее натягивается верёв­ка. Что же это значит? А вот что: по закону инерции гай­ка «не желает» носиться по кругу. Она «хочет» улететь в сторону по прямой линии. Но, пока вы крепко держи­те конец верёвки, гайка ни­куда не может улететь. Она будет вращаться вокруг вас. Теперь представьте себе, что гайка — наш спутник, а ве­рёвка — земное притяже­ние.

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. Что же ос­таётся делать спутникам, как не кружиться около нашей планеты? Так они и будут летать, пока ско­рость их движения не изме­нится. Сейчас она равна 8 километрам в секунду. Ес­ли же скорость понизится, скажем, до 7, то спутники потеряют высоту и упадут на Землю.

Если же разогнать спутни­ков так, чтобы они мчались со скоростью 11-12 кило­метров в секунду, то наши маленькие луны смогут обо­рвать «невидимую верёвоч­ку» — силу тяжести — и улетят в мировое пространство, к другим планетам.

Теперь вам понятно и то, почему спутники летают без моторов. Они мчатся по инерции, точно так же, как вы мчитесь, стоя на коньках, когда сильно разгонитесь. Только вы едете по инерции недолго: сопротивление воз­духа и трение между конь­ками и льдом замедляют ваше движение. Спутники же летят на большой высо­те, где почти нет воздуха, По­этому они так долго вра­щаются вокруг Земли.

— Имеет ли искусственный спут­ник Земли

Почему он пролетает почти над всеми крупными горо­дами

(Лондон, Париж, Киев, Ленинград, Мо­сква, Баку), хотя они

находятся не на одной линии?

Саша МАРЧЕНКО, 7-й класс.

Брянская область, Красногорский район, д. Кургановка.

Я слышал, что спутник движется по прямой, но когда я нанёс

на глобус его путь над Зем­лёй, у меня получилась ломаная линия.

А по­чему — я не знаю.

Юра ОРЛОВ, 7-й класс.

Московская область, пос. Солнцево.

Посмотрите на рисунок. Земной шар находится внутри кольца-орбиты искусственного спутника Земли.

По своему кольцу стремительно несётся шарик, а внутри кольца поворачивается вокруг оси наша планета. За сутки Земля совершает один оборот, а спутник за это время об­летает Землю 15 раз. Вот почему, если нане­сти трассу спутника на глобус, она будет иметь вид не прямой линии, а сложной кривой. Пред­ставьте себе, что Земля замерла без движения, тогда бы спутник носил­ся над одними и теми же городами.

Советские учёные хо­тели, чтобы все народы мира могли видеть ма­ленькую искусственную луну, и выбрали для спутника нужную для этого орбиту.

Может быть, в нём установлены лампочки?

А может быть, от большой скорости образова­лось

Виталий СЕРГЕЕВ, 7-й класс.

Конечно, не лампочки делают спутник яркой звез­дой, проносящейся по небу. Если бы даже в нём горели электрические лампочки, на таком расстоянии сват их не был бы виден человеку.

Спутник освещается лучами уже невидимого нами Солнца и светит отражённым светом, как все планеты.

Спутник лучше всего бывает виден в сумерки: вскоре после захода Солнца или перед его восходом.

— Почему летит ракета? — спрашивают многие читатели нашей газеты

Самолёт не может летать в безвоздушном пространстве. Во время движения он опирает­ся на воздух своими крыльями и отталкивает­ся от него воздушным винтом.

Многие ребята спрашивают: почему же ракета летит в безвоздушном пространстве? Эти ребята, верно, думают, будто бы и ра­кета отталкивается от воздуха струёй газов, образовавшихся в ней от сгорания топлива. А это не так. Ракете не нужно отталкиваться от воздуха — она сама себя толкает. Посмот­рите на рисунок. Внутри ракеты газы с боль­шой силой давят во все стороны. Давления на боковые стенки уравновешивают друг друга. Но на заднюю и переднюю стенки газы давят неодинаково. Из открытого конца ракеты они свободно вылетают наружу, а давят только на переднюю стенку и заставляют ракету лететь вперёд. Поэтому ракета может летать и в воз­духе, и в безвоздушном пространстве.

АРВАНИТИ из 721-й московской школы.

Спутники ведут себя совсем как «настоящие» не­бесные тела. Они не толь­ко совершают движение по орбитам, но и вращаются вокруг оси.

У ракеты-носителя так же, как и у второго спут­ника, стороны неодинаковы по площади. Чем больше площадь, тем больше сол­нечных лучей отражается от неё — сильнее блеск. По из­менению видимого блеска ракеты-носителя определи­ли, что примерно за несколь­ко десятков секунд она успе­вает повернуться к Земле различными сторонами. Это и есть время обращения ракеты-носителя вокруг сво­ей оси. Вращательное движение вокруг оси ракета приобретает благодаря со­противлению воздуха при движении в атмосфере и не идеально симметричной форме корпуса ракеты.

Почему геостационарные спутники не падают на землю?

Как известно, геостационарные спутники висят неподвижно над землёй над одной и той же точкой. Почему они не падают? На той высоте не действует сила притяжения?

Геостационарный искусственный спутник Земли представляет собой аппарат, который движется вокруг планеты в восточном направлении (в том же, в каком вращается сама Земля), по круговой экваториальной орбите с периодом обращения, равным периоду собственного вращения Земли.

Таким образом, если смотреть с Земли на геостационарный спутник, мы будем видеть его неподвижно висящим на одном и том же месте. Из-за этой неподвижности и большой высоты около 36 000 км, с которой видна почти половина поверхности Земли, на геостационарную орбиту выводят спутники-ретрансляторы для телевидения, радио и коммуникаций.

Из того, что геостационарный спутник висит постоянно над одной и той же точкой поверхности Земли, некоторые делают неверный вывод, что на геостационарный спутник не действует сила притяжения к Земле, что сила тяготения на определённом расстоянии от Земли исчезает, т. е. они опровергают самого Ньютона. Конечно это не так. Сам запуск спутников на геостационарную орбиту рассчитывается именно по закону всемирного тяготения Ньютона.

Геостационарные спутники, как и все остальные спутники, на самом деле падают на Землю, но не достигают её поверхности. На них действует сила притяжения к Земле (гравитационная сила), направленная к её центру, а в обратном направлении на спутник действует отталкивающая от Земли центробежная сила (сила инерции), которые уравновешивают друг друга – спутник не улетает от Земли и не падает на неё точно так же, как ведро, раскручиваемое на верёвке, остаётся на своей орбите.

Если бы спутник совсем не двигался, то он упал бы на Землю под действием притяжения к ней, но спутники движутся, в том числе и геостационарные (геостационарные – с угловой скоростью равной угловой скорости вращения Земли, т. е. один оборот за сутки, а у спутников нижележащих орбит угловая скорость больше, т. е. за сутки они успевают совершить вокруг Земли несколько оборотов). Линейная скорость, сообщаемая спутнику параллельно поверхности Земли при непосредственном выводе на орбиту сравнительно большая (на низкой околоземной орбите – 8 километров в секунду, на геостационарной орбите – 3 километра в секунду). Если бы не было Земли, то спутник с такой скоростью летел бы по прямой, но наличие Земли заставляет спутник падать на неё под действием силы притяжения, искривляя траекторию по направлению к Земле, но поверхность Земли не плоская, она искривлена. На сколько спутник приближается к поверхности Земли, на столько поверхность Земли уходит из-под спутника и, таким образом, спутник постоянно находится на одной и той же высоте, двигаясь по замкнутой траектории. Спутник всё время падает, но никак не может упасть.

Итак, все искусственные спутники Земли падают на Землю, но – по замкнутой траектории. Спутники находятся в состоянии невесомости, как все падающие тела (если лифт в небоскрёбе сорвётся и начнёт свободно падать, то люди внутри тоже будут находиться в состоянии невесомости). Космонавты внутри МКС находятся в невесомости не потому, что на орбите не действует сила притяжения к Земле (она там почти такая же как и на поверхности Земли), а потому, что МКС свободно падает на Землю – по замкнутой круговой траектории.

Почему спутники не падают

Прямо сейчас на орбите Земли расположено более 1000 искусственных спутников. Они выполняют самые разнообразные задачи и имеют различную конструкцию. Но объединяет их одно — спутники вращаются вокруг планеты и не падают.

Быстрое объяснение

На самом деле спутники постоянно падают на Землю из-за воздействия гравитации. Но они всегда промахиваются, т. к. имеют боковую скорость, заданную инерцией при запуске.

Вращение спутника вокруг Земли — это его постоянное падение мимо.

Развёрнутое объяснение

Если вы бросаете мяч в воздух, мяч возвращается обратно вниз. Это из-за гравитации — той же силы, которая удерживает нас на Земле и не дает улететь в открытый космос.

Спутники попадают на орбиту благодаря ракетам. Ракета должна разогнаться до 29 000 км/ч! Этого достаточно быстро, чтобы преодолеть сильное притяжение и покинуть атмосферу Земли. Как только ракета достигает нужной точки над Землей, она отпускает спутник.

Спутник использует энергию, полученную от ракеты, чтобы оставаться в движении. Это движение называется импульсом.

Но как спутник остается на орбите? Разве он не полетел бы по прямой в космос?

Не совсем. Даже когда спутник находится за тысячи километров, гравитация Земли все еще притягивает его. Притяжение Земли в сочетании с импульсом от ракеты заставляет спутник следовать круговой траектории вокруг Земли — орбите.

Когда спутник находится на орбите, он имеет идеальный баланс между импульсом и силой притяжения Земли. Но найти этот баланс довольно сложно.

Гравитация тем сильнее, чем ближе объект к Земле. И спутники, которые вращаются вокруг Земли, должны двигаться на очень высоких скоростях, чтобы оставаться на орбите.

Например, спутник NOAA-20 вращается всего в нескольких сотнях километров над Землей. Он должен путешествовать со скоростью 27 300 км/ч, чтобы оставаться на орбите.

С другой стороны, спутник NOAA GOES-East вращается вокруг Земли на высоте 35 405 км. Чтобы преодолеть гравитацию и остаться на орбите, ему нужна скорость около 10 780 км/ч.

Спутники могут оставаться на орбите в течение сотен лет, поэтому нам не нужно беспокоиться о том, что они упадут на Землю.

Источники:

http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/pioner-pravda/1957/19-11.html
http://answiki.org/783-pochemu-geostacionarnye-sputniki-ne-padayut-na-zemlyu.html
http://topor.info/why/pochemu-sputniki-ne-padayut