Zakaj vesoljske ladje ne strmoglavijo na zemljo? Zakaj sateliti ne zapustijo orbite? Kako sevanje vpliva na astronavte v ISS

Zakaj mislite, da astronavti v vesolju doživljajo breztežnostno stanje? Obstaja velika verjetnost, da odgovor ni pravilen.

Na vprašanje, zakaj se predmeti in astronavti pojavljajo v breztežnostnem stanju v vesoljski ladji, mnogi odgovorijo takole:

1. V vesolju ni gravitacije, zato nič ne tehtajo.
2. Vesolje je vakuum in v vakuumu ni gravitacije.
3. Astronavti so predaleč od Zemljine površine, da bi nanje vplivala njena gravitacija.

Vsi ti odgovori so napačni!

Glavna stvar, ki jo je treba razumeti, je, da v vesolju obstaja gravitacija. To je precej pogosta napačna predstava. Kaj ohranja luno v njeni orbiti okoli Zemlje? Gravitacija. Kaj ohranja Zemljo v orbiti okoli sonca? Gravitacija. Kaj preprečuje, da bi galaksije razletele? Gravitacija.

Gravitacija obstaja povsod v vesolju!

Če bi na Zemlji zgradili stolp, visok 370 km (230 milj), približno na višini orbite vesoljske postaje, bi bila gravitacijska sila, ki deluje na vas na vrhu stolpa, skoraj enaka kot na površje zemlje. Če bi si drznil narediti korak s stolpa, bi planil proti Zemlji na enak način, kot bo to storil letos Felix Baumgartner, ko bo skušal narediti skok z roba vesolja. (seveda ne upoštevamo nizke temperature, ki vas bo v hipu zmrznilo, ali kako vas bosta pomanjkanje zraka ali aerodinamični upor ubijala, ob padanju skozi plasti atmosferskega zraka pa bodo vsi deli vašega telesa izkusili, kako je »odrti tri kože«. In poleg tega vam bo nenadna zaustavitev povzročila tudi veliko nevšečnosti).

Da, zakaj torej vesoljska orbitalna postaja ali sateliti v orbiti ne padejo na Zemljo in zakaj se zdi, da astronavti in predmeti okoli njih znotraj Mednarodne vesoljske postaje (ISS) ali katerega koli drugega vesoljskega plovila lebdijo?

Izkazalo se je, da je vse odvisno od hitrosti!

Astronavti, sama Mednarodna vesoljska postaja (ISS) in drugi objekti v Zemljini orbiti ne lebdijo – pravzaprav padejo. Toda na Zemljo ne padejo zaradi svoje ogromne orbitalne hitrosti. Namesto tega "padajo okoli" Zemlje. Predmeti v zemeljski orbiti se morajo gibati s hitrostjo vsaj 28.160 km/h (17.500 mph). Zato takoj, ko pospešijo glede na Zemljo, se gravitacijska sila Zemlje takoj upogne in preusmeri tir njihovega gibanja navzdol in nikoli ne bodo premagali tega minimalnega približevanja Zemlji. Ker imajo astronavti enak pospešek kot vesoljska postaja, doživljajo breztežnostno stanje.

Zgodi se, da lahko to stanje – za kratek čas – doživimo tudi na Zemlji, v trenutku padca. Ste bili že kdaj na vožnji s toboganom, kjer se vaše telo tik po prečkanju najvišje točke (»top of the coaster«), ko se voziček že začne kotaliti navzdol, dvigne s sedeža? Če bi bili v dvigalu na višini stonadstropnega nebotičnika in bi se kabel zlomil, bi med padanjem dvigala lebdeli v breztežnosti v kabini dvigala. Seveda bi bil v tem primeru konec veliko bolj dramatičen.

Verjetno ste že slišali za letalo z ničelno gravitacijo (»Vomit Comet«) – letalo KC 135, ki ga NASA uporablja za ustvarjanje kratkotrajnih breztežnostnih stanj, za urjenje astronavtov in preizkušanje poskusov ali opreme v ničelni gravitaciji (nič -G), kot tudi za komercialne lete v breztežnosti, ko letalo leti po parabolični tirnici, kot pri atrakciji tobogana (vendar pri velikih hitrostih in na velikih višinah), preleti vrh parabole in drvi navzdol, potem se v trenutku, ko letalo pade, ustvarijo breztežnostni pogoji. Na srečo se letalo izvleče iz potopa in se poravna.

Vendar se vrnimo k našemu stolpu. Če bi namesto običajnega koraka s stolpa naredili skok v zalet, bi vas energija naprej odnesla daleč stran od stolpa, hkrati pa bi vas gravitacija odnesla navzdol. Namesto da bi pristal ob vznožju stolpa, bi pristal na razdalji od njega. Če bi med zaletom povečali hitrost, bi lahko skočili dlje od stolpa, preden bi udarili ob tla. No, če bi lahko tekli tako hitro kot raketoplan in ISS krožita okoli Zemlje s hitrostjo 28.160 km/h (17.500 milj na uro), potem bi obločna pot vašega skoka naredila krog okoli Zemlje. Bili bi v orbiti in izkusili breztežnostno stanje. Toda padli bi, preden bi dosegli površje Zemlje. Res je, še vedno bi potrebovali skafander in zaloge zraka za dihanje. In če bi lahko tekli s približno 40,555 km/h (25,200 milj na uro), bi skočili naravnost iz Zemlje in začeli krožiti okoli Sonca.

Na vprašanje, zakaj so predmeti, pa tudi astronavti sami, med bivanjem v orbiti brez gravitacije, je pogosto mogoče slišati napačne odgovore. Pravzaprav je gravitacija prisotna v vesolju, saj se zahvaljujoč njej držijo planeti.

Brez sile gravitacije bi se lahko galaksije preprosto razpršile v vse smeri. Pravzaprav breztežnost nastane zaradi prisotnosti hitrosti gibanja.

Padec "blizu Zemlje"

V resnici astronavti, pa tudi drugi predmeti, ki so v orbiti okoli Zemlje, padejo. Vendar se ta padec ne zgodi v običajnem pomenu (na Zemljo, z orbitalno hitrostjo), ampak tako rekoč okoli Zemlje.

Hkrati mora biti njihovo gibanje najmanj sedemnajst in pol milj na uro. Pri pospeševanju glede na Zemljo gravitacijska sila tukaj prenaša tirnico gibanja in jo usmerja navzdol, tako da astronavti med letom nikoli ne bodo mogli premagati minimalnega približevanja Zemlji. In zaradi dejstva, da je pospešek astronavtov enak pospešku vesoljske postaje, so v breztežnostnem stanju.

Ali zakaj sateliti ne padejo? Orbita satelita je občutljivo ravnovesje med vztrajnostjo in gravitacijo. Gravitacijska sila ves čas vleče satelit proti Zemlji, medtem ko vztrajnost satelita teži k ohranjanju njegovega gibanja v ravni črti. Če ne bi bilo gravitacije, bi vztrajnost satelita poslala naravnost iz Zemljine orbite v vesolje. Vendar na vsaki točki orbite gravitacija ohranja satelit privezan.

Za doseganje ravnotežja med vztrajnostjo in gravitacijo mora imeti satelit strogo določeno hitrost. Če leti prehitro, vztrajnost premaga gravitacijo in satelit zapusti orbito. (Pri izstrelitvi medplanetarnih vesoljskih postaj ima pomembno vlogo izračun tako imenovane druge vesoljske hitrosti, ki omogoča satelitu, da zapusti Zemljino orbito.) Če se satelit premika prepočasi, bo gravitacija zmagala v boju z vztrajnostjo in satelit bo padel na Zemljo. Prav to se je zgodilo leta 1979, ko se je ameriška vesoljska postaja Skylab zaradi naraščajočega upora zgornjih plasti zemeljske atmosfere začela spuščati. Po padcu v železne klešče gravitacije je postaja kmalu padla na Zemljo.

Hitrost in razdalja

Ker gravitacija Zemlje z razdaljo slabi, se hitrost, potrebna za ohranjanje satelita v orbiti, spreminja z višino. Inženirji lahko izračunajo, kako hitro in kako visoko mora satelit krožiti. Na primer, geostacionarni satelit, ki se nahaja vedno nad isto točko na zemeljski površini, mora narediti en obrat v 24 urah (kar ustreza času enega obrata Zemlje okoli svoje osi) na višini 357 kilometrov.

Gravitacija in vztrajnost

Uravnoteženje satelita med gravitacijo in vztrajnostjo je mogoče simulirati z vrtenjem bremena na vrvi, ki je privezana nanj. Vztrajnost bremena teži k temu, da ga premakne stran od središča vrtenja, medtem ko napetost vrvi, ki deluje kot gravitacija, ohranja breme v krožni orbiti. Če je vrv prerezana, bo tovor odletel po ravni poti, pravokotni na polmer njegove orbite.

Danes lahko zgodaj zjutraj ali zvečer stopimo ven iz svojega doma in nad našimi glavami vidimo svetlo vesoljsko postajo. Čeprav so vesoljska potovanja postala običajna sodobni svet, za marsikoga vesolje in z njim povezana vprašanja ostajajo skrivnost. Tako na primer marsikdo ne razume, zakaj sateliti ne padejo na Zemljo in poletijo v vesolje?

elementarna fizika

Če žogo vržemo v zrak, se bo kmalu vrnila na Zemljo, tako kot vsak drug predmet, na primer letalo, krogla ali celo balon.

Da bi razumeli, zakaj je vesoljsko plovilo sposobno krožiti okoli Zemlje, ne da bi padlo, vsaj v normalnih okoliščinah, je treba izvesti miselni eksperiment. Predstavljajte si, da ste na, vendar na njem ni zraka in ozračja. Znebiti se moramo zraka, da lahko naredimo naš model čim bolj preprost. Zdaj se boste morali mentalno povzpeti na vrh visoka gora s pištolo, da bi razumel, zakaj sateliti ne padejo na Zemljo.

Postavimo poskus

Cev puške usmerimo natančno vodoravno in streljamo proti zahodnemu obzorju. Projektil bo z veliko hitrostjo odletel iz gobca in se usmeril proti zahodu. Takoj, ko projektil zapusti cev, se bo začel približevati površini planeta.

Ko se topovska krogla hitro pomika proti zahodu, bo padla na tla nekaj oddaljenosti od vrha gore. Če bomo še naprej povečevali moč topa, bo izstrelek priletel na tla precej dlje od strela. Ker je naš planet kroglast, bo vsakič, ko bo krogla izstreljena iz ustja, padla dlje, ker se tudi planet še naprej vrti okoli svoje osi. Zato sateliti ne padejo na Zemljo pod vplivom gravitacije.

Ker je to miselni poskus, lahko naredimo strel pištole močnejši. Navsezadnje si lahko predstavljamo situacijo, v kateri se projektil giblje z enako hitrostjo kot planet.

Pri tej hitrosti, brez zračnega upora, ki bi ga upočasnil, bo izstrelek še vedno krožil okoli Zemlje za vedno, ko bo neprestano padal proti planetu, vendar bo tudi Zemlja še naprej padala z enako hitrostjo, kot da bi se izstrelku »izmikala«. . To stanje imenujemo prosti pad.

Na praksi

V resničnem življenju stvari niso tako preproste kot v našem miselnem eksperimentu. Zdaj se moramo soočiti z zračnim uporom, zaradi katerega se izstrelek upočasni in mu sčasoma odvzame hitrost, ki jo potrebuje, da ostane v orbiti in ne pade na Zemljo.

Tudi na oddaljenosti nekaj sto kilometrov od površja Zemlje še vedno obstaja nekaj zračnega upora, ki deluje na satelite in vesoljske postaje ter povzroča njihovo upočasnitev. Ta upor sčasoma povzroči, da vesoljsko plovilo ali satelit vstopi v ozračje, kjer bi običajno zgorelo zaradi trenja z zrakom.

Če vesoljske postaje in drugi sateliti ne bi imeli spodbude, da bi jih potisnili višje v orbito, bi vsi neuspešno padli na Zemljo. Tako je hitrost satelita prilagojena tako, da pade na planet z enako hitrostjo, s katero se planet ukrivlja stran od satelita. Zato sateliti ne padejo na Zemljo.

Interakcija planetov

Enak proces velja za našo Luno, ki se giblje v orbiti prostega pada okoli Zemlje. Vsako sekundo se Luna približa Zemlji na približno 0,125 cm, hkrati pa se površina našega sferičnega planeta premakne na enako razdaljo in se izmika Luni, tako da ostanejo v svojih orbitah glede na drugo.

V orbitah in pojavu prostega pada ni nič čarobnega – pojasnjujejo le, zakaj sateliti ne padejo na Zemljo. Samo gravitacija in hitrost. Je pa neverjetno zanimiv, tako kot vse drugo, kar je povezano z vesoljem.