Почему космические корабли не падают на землю. Почему спутники не сходят с орбиты? Как влияет радиация на космонавтов в МКС
Как Вы думаете почему космонавты в космосе испытывают состояние невесомости? Есть большая вероятность что ответите не правильно.
На вопрос, почему предметы и космонавты в условиях космического корабля предстают в состоянии невесомости, многие люди дают такой ответ:
1. В космосе отсутствует сила тяжести, поэтому они ничего не весят.
2. Космос — это вакуум, а в вакууме нет силы тяжести.
3. Космонавты находятся слишком далеко от поверхности Земли, чтобы на них могла действовать сила её притяжения.
Все эти ответы неверны!
Главное, что нужно понимать это то, что в космосе ЕСТЬ сила тяжести. Это довольно распространенное ошибочное представление. Что удерживает Луну на её орбите вокруг Земли? Сила тяжести. Что удерживает Землю на орбите вокруг Солнца? Сила тяжести. Что не позволяет галактикам разлетаться в разные стороны? Сила тяжести.
Сила тяжести существует в космосе везде!
Если бы вы построили на Земле вышку высотой 370 км (230 миль), приблизительно как высота орбиты космической станции, то сила тяжести, действующая на вас наверху вышки, была бы почти такой же, как и на поверхности земли. Если бы вы решились сделать шаг с вышки, вы бы устремились к Земле точно так же, как это собирается сделать чуть позже в этом году Феликс Баумгартнер (Felix Baumgartner), когда предпримет попытку совершить прыжок с края космоса. (Конечно, при этом мы не учитываем низкие температуры, которые мгновенно начнут вас замораживать, или как отсутствие воздуха или аэродинамического сопротивления будет убивать вас, а падение сквозь слои атмосферного воздуха заставит все части вашего тела испытать на собственном опыте, что такое «содрать три шкуры». И к тому же, внезапная остановка также причинит вам массу неудобств).
Да, так почему же космическая орбитальная станция или спутники, находящиеся на орбите, не падают на Землю, и почему космонавты и окружающие их предметы внутри международной космической станции (МКС) или любого другого космического корабля кажутся плавающими?
Оказывается, все дело в скорости!
Космонавты, сама международная космическая станция (МКС) и другие объекты, находящиеся на земной орбите, не плавают, — на самом деле, они падают. Но они не падают на Землю из-за своей огромной орбитальной скорости. Вместо этого они «падают вокруг» Земли. Объекты на земной орбите должны двигаться со скоростью, по меньшей мере, 28,160 км/ч (17,500 миль в час). Поэтому, как только они ускоряются относительно Земли, сила притяжения Земли сразу же изгибает и уводит траекторию их движения вниз, и они никогда не преодолеют этот минимум сближения с Землей. Поскольку космонавты имеют такое же ускорение, как и космическая станция, они испытывают состояние невесомости.
Случается, что мы тоже можем испытать это состояние — кратковременно — на Земле, в момент падения. Приходилось ли вам бывать на аттракционе «американские горки», когда сразу после прохождения наивысшей точки («вершины горки»), когда тележка уже начинает катиться вниз, ваше тело поднимает c сидения? Если бы вы находились в лифте на высоте стоэтажного небоскреба, и произошел обрыв троса, то пока лифт падал, вы бы парили в невесомости в кабине лифта. Конечно, в этом случае финал оказался бы намного драматичнее.
И потом, вы, вероятно, слышали об аэроплане, обеспечивающем состояние невесомости («Vomit Comet») — аэроплан KC 135, который НАСА использует для создания кратковременных состояний невесомости, для тренировок космонавтов и проверки экспериментов или оборудования в условиях невесомости (zero-G), а также для осуществления коммерческих полетов в невесомости, когда самолет летит по параболической траектории, как в аттракционе «американские горки» (но с большими скоростями и на больших высотах), проходит через вершину параболы и устремляется вниз, то в момент падения самолета создаются условия невесомости. К счастью, самолет выходит из пикирования и выравнивается.
Однако, давайте вернемся к нашей вышке. Если бы вместо обыкновенного шага с вышки вы совершили прыжок с разбега, ваша энергия, направленная вперед, отнесла бы вас далеко от вышки, вместе с тем, сила тяжести снесла бы вас вниз. Вместо того, чтобы приземлиться у основания вышки, вы бы приземлились на расстоянии от неё. Если бы при разбеге вы увеличили скорость, вы смогли бы прыгнуть дальше от вышки, прежде чем достигли бы земли. Ну, а если бы вы могли бегать так же быстро, как движется по орбите вокруг Земли космический корабль многоразового использования и МКС, со скоростью 28,160 км/ч (17,500 миль в час), то дуговая траектория вашего прыжка сделала бы круг вокруг Земли. Вы бы находились на орбите и испытывали состояние невесомости. Но вы бы падали, не достигая поверхности Земли. Правда, скафандр и запасы воздуха, пригодного для дыхания, вам все же понадобились бы. А если бы вы могли бегать со скоростью примерно 40,555 км/ч (25,200 миль в час), вы бы выпрыгнули сразу за пределы Земли и начали вращаться вокруг Солнца.
На вопрос, по какой причине предметы, а также сами космонавты во время пребывания на орбите находятся в невесомости, часто можно услышать неверные ответы. В действительности в космосе присутствует сила тяжести, ведь благодаря ей удерживаются планеты.
Без действия силы притяжения галактики могли бы просто разлететься во все стороны. На самом деле невесомость возникает благодаря наличию скорости движения.
Падение “около Земли”
В действительности, космонавты, а также другие предметы, которые находятся на земной орбите, падают. Однако это падение происходит не в привычном смысле (на Землю, с орбитальной скоростью), а как бы вокруг Земли.
При этом их движение должно составлять не менее семнадцати с половиной миль в час. При ускорении относительно Земли сила тяжести тут переносит траекторию движения, направляя ее вниз, поэтому космонавты во время полета никогда не смогут преодолеть минимум сближения с Землей. А в силу того, что ускорение космонавтов равно ускорению космической станции, они находятся в состоянии невесомости.
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.
