Или почему спутники не падают? Орбита спутника представляет собой хрупкий баланс между инерцией и гравитацией. Сила тяжести непрерывно притягивает спутник к Земле, в то время как инерция спутника стремится поддерживать его движение прямолинейным. Если бы не было силы тяжести, инерция спутника отправила бы его прямо с земной орбиты в открытый космос. Однако в каждой точке орбиты сила тяжести держит спутник на привязи.

Чтобы достичь равновесия между инерцией и силой тяжести, спутник должен иметь строго определенную скорость. Если он летит слишком быстро, инерция преодолевает силу тяжести и спутник покидает орбиту. (Вычисление так называемой второй космической скорости, позволяющей спутнику покидать околоземную орбиту, играет важную роль в запуске межпланетных космических станций.) Если спутник движется слишком медленно, сила тяжести победит в борьбе с инерцией и спутник упадет на Землю. Именно это случилось в 1979 году, когда американская орбитальная станция Скайлэб начала снижаться в результате растущего сопротивления верхних слоев земной атмосферы. Попав в железные клещи гравитации, станция вскоре упала на Землю.

Скорость и расстояние

Поскольку земное притяжение ослабевает с расстоянием, скорость, необходимая для удержания спутника на орбите, изменяется с высотой над уровнем моря. Инженеры могут вычислять, как быстро и как высоко спутник должен вращаться на орбите. Например, геостационарный спутник, расположенный всегда над одной и той же точкой земной поверхности, должен совершать один виток за 24 часа (что соответствует времени одного оборота Земли вокруг своей оси) на высоте 357 километров.

Сила тяжести и инерция

Балансирование спутника между силой тяжести и инерцией может быть сымитировано вращением груза на привязанной к нему веревке. Инерция груза стремится переместить его подальше от центра вращения, в то время как натяжение веревки, выполняющее роль гравитации, удерживает груз на круговой орбите. Если веревку перерезать, груз улетит по прямолинейной траектории перпендикулярно радиусу своей орбиты.

Сегодня мы можем выйти за пределы своего дома ранним утром или вечером и увидеть яркую космическую станцию, пролетающую над головой. Хотя космические путешествия стали обыденной частью современного мира, для многих людей космос и вопросы, связанные с ним, остаются загадкой. Так, например, многим людям непонятно, почему спутники не падают на Землю и не улетают в космос?

Элементарная физика

Если мы бросим мяч в воздух, он скоро возвратится на Землю, как и любой другой объект, как, например, самолет, пуля или даже воздушный шар.

Чтобы понять, почему космический корабль способен вращаться вокруг Земли, не падая, по крайней мере, при нормальных обстоятельствах, нужно провести мысленный эксперимент. Представьте, что вы находитесь на но на ней нет воздуха и атмосферы. Нам нужно избавиться от воздуха, чтобы мы могли сделать нашу модель максимально простой. Теперь, вам придется мысленно подняться на вершину высокой горы с орудием, чтобы понять, почему спутники не падают на Землю.

Поставим эксперимент

Направляем ствол орудия ровно горизонтально и стреляем к западному горизонту. Снаряд вылетит из дула с огромной скоростью и направится на запад. Как только снаряд покинет ствол, он начнет приближаться к поверхности планеты.

Поскольку пушечный шар быстро продвигается на запад, он упадет на землю на некотором расстоянии от вершины горы. Если мы будем продолжать увеличивать мощность пушки, снаряд упадет на землю намного дальше от места выстрела. Поскольку наша планета имеет форму шара, каждый раз, когда пуля будет вылетать из дула, она будет падать дальше, потому что планета также продолжает вращаться вокруг своей оси. Вот почему спутники не падают на Землю под действием силы тяжести.

Поскольку это мысленный эксперимент, мы можем сделать выстрел пистолета более мощным. В конце концов, мы может вообразить ситуацию, в которой снаряд двигается с той же скоростью, что и планета.

На этой скорости, без сопротивления воздуха, которое его замедляет, снаряд будет продолжать вращаться вокруг Земли вечно, поскольку он будет непрерывно падать к планете, но Земля также будет продолжать падать с той же скоростью, как бы «ускользая» от снаряда. Это условие называется свободным падением.

На практике

В реальной же жизни, все не так просто, как в нашем мысленном эксперименте. Теперь мы должны иметь дело с сопротивлением воздуха, которое вызывает замедление скорости движения снаряда, в конечном итоге лишая его скорости, необходимой ей для того, чтобы оставаться на орбите и не падать на Землю.

Даже на расстоянии нескольких сотен километров от поверхности Земли все еще существует некоторое сопротивление воздуха, которое действует на спутники и космические станции и приводит к их замедлению. Это сопротивление в конечном итоге приводит к тому, что космический корабль или спутник попадают в слои атмосферы, где они обычно сгорают из-за трения с воздухом.

Если бы космические станции и другие спутники не имели ускорения, способного подтолкнуть их выше по орбите, все они безуспешно упали бы на Землю. Таким образом, скорость спутника регулируется таким образом, чтобы он падал на планету с той же скоростью, с которой планета по кривой движется по направлению от спутника. Вот почему спутники не падают на Землю.

Взаимодействие планет

Тот же процесс применим к нашей Луне, которая перемещается на орбите свободного падения вокруг Земли. Каждую секунду Луна приближается примерно на 0,125 см к Земле, но в то же время поверхность нашей сферической планеты смещается на то же расстояние, уклоняясь от Луны, поэтому относительно друг друга они остаются на своих орбитах.

Нет ничего волшебного в отношении орбит и такого явления, как свободное падение — они лишь объясняют, почему спутники не падают на Землю. Это просто сила тяжести и скорость. Но это невероятно интересно, впрочем, как и все остальное, связанное с космосом.

Одним из величайших достояний человечества является международная космическая станция, или МКС. Для ее создания и работы на орбите объединилось несколько государств: Россия, некоторые страны Европы, Канада, Япония и США. Этот аппарат свидетельствует о том, что можно добиться многого, если постоянно сотрудничать странам. Об этой станции знают все люди планеты и многие задаются вопросами о том, на какой высоте летает МКС и по какой орбите. Сколько космонавтов там побывало? А правда ли, что туда пускают туристов? И это далеко не все, что интересно человечеству.

Строение станции

МКС состоит из четырнадцати модулей, в которых располагаются лаборатории, склады, комнаты отдыха, спальни, хозпомещения. На станции даже имеется спортзал с тренажерами. Весь этот комплекс работает на солнечных батареях. Они огромны, величиной со стадион.

Факты об МКС

За время своей работы станция вызывала немало восхищений. Этот аппарат является величайшим достижением человеческих умов. По своей конструкции, назначению и особенностям его можно назвать совершенством. Конечно, может быть, лет через 100 на Земле начнут строить космические корабли другого плана, но пока что, на сегодняшний день, этот аппарат - достояние человечества. Об этом свидетельствуют следующие факты об МКС:

1. За время своего ее существования на МКС космонавтов побывало около двухсот. Также здесь были туристы, которые просто прилетели посмотреть на Вселенную с орбитальной высоты.
2. Станцию видно с Земли невооруженным глазом. Эта конструкция является самой большой среди искусственных спутников, и ее легко можно увидеть с поверхности планеты без какого-то увеличивающего устройства. Есть карты, на которых можно посмотреть, в какое время и когда аппарат пролетает над городами. По ним легко отыскать сведения о своем населенном пункте: увидеть расписание полета над регионом.
3. Для сборки станции и поддержания ее в рабочем состоянии космонавты вышли более 150 раз в открытый космос, проведя там около тысячи часов.
4. Управляется аппарат шестью астронавтами. Система жизнеобеспечения обеспечивает непрерывное присутствие на станции людей с момента ее первого запуска.
5. Международная космическая станция - это уникальное место, где проводятся самые разные лабораторные эксперименты. Ученые делают уникальные открытия в области медицины, биологии, химии и физики, физиологии и метеонаблюдений, а также в других областях науки.
6. На аппарате используются гигантские солнечные батареи, размер которых достигает площади территории футбольного поля с его конечными зонами. Их вес - почти триста тысяч килограмм.
7. Батареи способны полностью обеспечивать работу станции. За их работой тщательно следят.
8. На станции есть мини-дом, оснащенный двумя ванными и спортзалом.
9. За полетом следят с Земли. Для контроля разработаны программы, состоящие из миллионов строк кода.

Космонавты

С декабря 2017 года экипаж МКС состоит из следующих астрономов и космонавтов:

• Антон Шкаплеров - командир МКС-55. Он дважды был на станции - в 2011-2012 и в 2014-2015 гг. За 2 полета он прожил на станции 364 дня.
• Скит Тингл - бортинженер, астронавт НАСА. Этот космонавт не имеет опыта космических полетов.
• Норишиге Канаи - бортинженер, астронавт Японии.
• Александр Мисуркин. Первый его полет был совершен в 2013 году длительностью 166 суток.
• Макр Ванде Хай не имеет опыта полетов.
• Джозеф Акаба. Первый полет совершил в 2009 году в составе «Дискавери», а второй полет был осуществлен в 2012 году.

Земля из космоса

Из космоса на Землю открываются уникальные виды. Об этом свидетельствуют фотографии, видеосъемки астронавтов и космонавтов. Увидеть работу станции, космические пейзажи можно, если посмотреть онлайн-трансляции со станции МКС. Однако некоторые камеры бывают выключенными, что связано с техработами.

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?

Ответ

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.

Атмосфера нашей планеты защищает нас от ультрафиолетового излучения и от многочисленных метеоритов, приближающихся к Земле. Большинство из них полностью сгорает в плотных слоях атмосферы, так же как и космический мусор, падающий с орбиты. Но это обстоятельство является целой проблемой для космической отрасли, ведь космонавтов нужно не только отправлять на орбиту, но и возвращать обратно. Но астронавты благополучно завершают пребывание на Международной космической станции, возвращаясь в специальных капсулах, которые не сгорают в атмосфере. Сегодня мы посмотрим, почему так происходит.

Космические корабли, так же как и внеземные объекты, страдают от разрушительного воздействия атмосферы. При аэродинамическом сопротивлении газовых слоев атмосферы поверхность любого тела, движущегося со значительной скоростью, нагревается до критических значений. Поэтому конструкторам пришлось приложить немало усилий для решения этой проблемы. Технология защиты космической техники от подобного воздействия получила название абляционной защиты. Она включает в себя поверхностный слой на основе асбестосодержащих соединений, который наносится на внешнюю часть летательного аппарата и частично разрушается, но позволяет сохранить в целости сам космический аппарат.

Возвращение космонавтов с МКС на Землю происходит в специальной капсуле, которая находится на корабле «Союз». После отстыковки от МКС корабль начинает движение к Земле, и на высоте около 140 километров происходит его распад на три части. Приборно-агрегатный и бытовой отсеки корабля «Союз» полностью сгорают в атмосфере, а вот спускаемый аппарат с космонавтами имеет защитный слой и продолжает движение дальше. Примерно на высоте около 8,5 километров происходит выпуск тормозного парашюта, который существенно замедляет скорость и готовит аппарат к приземлению.

Если посмотреть на снимки капсул с космонавтами после их приземления, то можно увидеть, что они почти черного цвета и имеют следы обгорания, как результат пролета сквозь слои атмосферы.