Пояснение: все об орбиталях | Новости науки для студентов

Еще в древности звездочеты знали, что планеты отличаются от звезд. В то время как звезды всегда появляются в одном и том же месте на ночном небе, планеты меняют положение от ночи к ночи. Они как бы движутся на фоне звезд. Временами казалось, что планеты движутся назад. (Такое поведение известно как обратное движение.) Эти странные движения по небу было трудно объяснить.

Затем, в семнадцатом веке, Иоганн Кеплер обнаружил математические закономерности в движении планет. Астрономы до него знали, что планеты вращаются вокруг Солнца или вращаются вокруг него. Но Кеплер был первым, кто правильно описал эти орбиты с помощью математики. Словно собирая мозаику, Кеплер увидел, как кусочки данных сочетаются друг с другом. Обобщите математику орбитального движения тремя законами:

  1. Путь, который планета проходит вокруг Солнца, представляет собой эллипс, а не круг. Эллипс представляет собой овал. Это означает, что иногда планета находится ближе к Солнцу, чем в другое время.
  2. Скорость планеты меняется по мере ее движения по этому пути. Скорость планеты увеличивается, когда она проходит близко к Солнцу, и замедляется, когда она удаляется от солнца.
  3. Каждая планета вращается вокруг Солнца с разной скоростью. Те, что дальше от них, движутся медленнее, чем те, что ближе всего к звезде.

Кеплер до сих пор не может объяснить Почему Планеты следуют овальным, а не круговым траекториям. Но его законы могут предсказать положение планет с невероятной точностью. Затем, примерно через 50 лет, физик Исаак Ньютон объяснил механизм действия Почему Сработали законы Кеплера: гравитация. Сила гравитации притягивает объекты в пространстве друг к другу, заставляя движение одного объекта постоянно изгибаться по направлению к другому.

Во Вселенной все виды небесных тел вращаются друг вокруг друга. Луны и космические корабли вращаются вокруг планет. Кометы и астероиды вращаются вокруг Солнца и даже других планет. Наше Солнце вращается вокруг центра нашей галактики, Млечного Пути. Галактики тоже вращаются вокруг друг друга. Законы Кеплера, описывающие орбиты, применимы ко всем этим объектам во Вселенной.

Рассмотрим подробнее каждый из законов Кеплера.

Орбиты, орбиты повсюду. На этом изображении показаны орбиты 2200 потенциально опасных астероидов, вращающихся вокруг Солнца. Орбита двойного астероида Дидимос показана тонким белым овалом, а орбита Земли — толстой белой дорожкой. Также классифицируются орбиты Меркурия, Венеры и Марса.Центр изучения объектов, сближающихся с Землей, NASA/JPL-Caltech

Первый закон Кеплера: эллипсы

Для описания формы эллипса ученые используют слово нарушение (Эк-сен-ТРИС-сих-ти). Этот эксцентриситет представляет собой число от 0 до 1. Эксцентриситет полного круга равен 0. Орбитали с отклонениями, близкими к 1, на самом деле являются вытянутыми овалами.

Орбита Луны вокруг Земли имеет эксцентриситет 0,055. Это почти полный круг. Кометы имеют эксцентрические орбиты. Комета Галлея, вылетающая из Земли каждые 75 лет, имеет эксцентриситет орбиты 0,967.

(Движение одного объекта может иметь центростремительный эксцентриситет больше 1. Но такой большой эксцентриситет описывает объект, крутящийся вокруг другого в широкой U-образной форме — никогда назад. Так что, строго говоря, он не будет вращаться вокруг объекта. его путь был искривлен.)

Анимация, показывающая, как связаны скорость и форма орбиты
Эта анимация показывает, как скорость объекта связана с тем, как выглядит его эллиптическая орбита.Phoenix7777 / Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Эллипсы очень важны для планирования орбиты космического корабля. Если вы хотите отправить космический корабль на Марс, вы должны помнить, что космический корабль стартует с Земли. Сначала это может показаться глупым. Но когда вы запускаете ракету, она, естественно, будет следовать по эллипсу орбиты Земли вокруг Солнца. Чтобы добраться до Марса, эллиптическая траектория космического корабля вокруг Солнца должна измениться, чтобы соответствовать орбите Марса.

Используя очень сложную математику — знаменитую «ракетную науку» — ученые могут спланировать, насколько быстро и на какую высоту ракете потребуется запустить космический корабль. Как только космический корабль выходит на орбиту вокруг Земли, отдельный набор двигателей меньшего размера медленно расширяет орбиту космического корабля вокруг Солнца. При тщательном планировании новый орбитальный эллипс космического корабля идеально совпадет с Марсом в нужное время. Это позволяет космическому кораблю достичь Красной планеты.

Анимация, показывающая, как должна меняться орбита космического корабля по мере его путешествия с Земли на Марс.
Когда космический корабль меняет свою орбиту — например, когда он переходит с орбиты вокруг Земли на орбиту вокруг Марса (как на этом рисунке) — его двигатели должны изменить форму своей эллиптической траектории. НАСА/Лаборатория реактивного движения

Второй закон Кеплера: изменение скоростей

Точка, в которой орбита планеты приближается к Солнцу, – это точка, в которой орбита планеты приближается к Солнцу. самое дно. Термин происходит от греч. Ягодаили рядом, и Гелиосили солнце.

Земля достигает своей впадины в начале января. (Это может показаться странным для жителей Северного полушария, которые переживают зиму в январе. Но расстояние Земли от Солнца не является причиной наших сезонов. Это происходит из-за наклона оси вращения Земли.) В перигелии Земля движется быстрее всего по своей орбите, около 30 километров (19 миль) в секунду. К началу июля орбита Земли находится в самой удаленной от Солнца точке. После этого Земля движется по своему орбитальному пути медленнее — около 29 километров (18 миль) в секунду.

Планеты — не единственные объекты на своей орбите, которые ускоряются и замедляются подобным образом. Когда что-то на орбите приближается к объекту, вокруг которого вращается, оно испытывает более сильное гравитационное притяжение. В результате он ускоряется.

Ученые пытаются использовать этот дополнительный импульс при запуске космических аппаратов к другим планетам. Например, отправленный к Юпитеру зонд может по пути пролететь через Марс. Когда космический корабль приближается к Марсу, гравитация планеты заставляет зонд ускоряться. Этот гравитационный толчок толкает космический корабль к Юпитеру намного быстрее, чем он может двигаться в одиночку. Это называется эффект рогатки. С его помощью можно сэкономить много топлива. Гравитация выполняет часть работы, поэтому двигателям требуется меньше работы.

Третий закон Кеплера: расстояние и скорость

На расстоянии 4,5 миллиарда километров (2,8 миллиарда миль) гравитационная сила Солнца на Нептуне достаточно сильна, чтобы удерживать планету на своей орбите. Но оно намного слабее, чем притяжение Солнца к Земле, которая находится всего в 150 миллионах километров (93 миллиона миль) от Солнца. Поэтому Нептун движется по своей орбите медленнее, чем Земля. Он движется вокруг Солнца со скоростью 5 километров (3 мили) в секунду. Земля вращается вокруг Солнца со скоростью 30 километров (19 миль) в секунду.

Поскольку далекие планеты движутся медленнее по более широким орбитам, им требуется больше времени, чтобы завершить один оборот. Этот период времени известен как год. На Нептуне она длится около 60 тысяч земных дней. На Земле, которая намного ближе к Солнцу, год длится чуть более 365 дней. Меркурий, ближайшая к Солнцу планета, завершает свой особый год каждые 88 земных дней.

Эта взаимосвязь между расстоянием до объекта на орбите и его скоростью влияет на то, насколько быстро спутники могут вращаться вокруг Земли. Большинство спутников, включая Международную космическую станцию, вращаются на высоте от 300 до 800 километров (от 200 до 500 миль) над поверхностью Земли. Эти низколетящие спутники совершают один виток каждые 90 минут или около того.

Некоторые очень высокие орбиты — около 35 000 километров (20 000 миль) от Земли — заставляют спутники двигаться медленнее. На самом деле эти спутники движутся достаточно медленно, чтобы соответствовать скорости вращения Земли. Это ремесло в геосинхронный Орбита (Джи-о-СИН-крон-ус). Поскольку они кажутся стационарными над одной страной или регионом, эти спутники часто используются для отслеживания погоды или ретрансляционной связи.

О столкновениях и «парковочных» площадках

Пространство может быть огромным, но внутри все всегда в движении. Иногда две орбиты пересекаются. Это может привести к столкновениям.

Некоторые места заполнены объектами на пересекающихся орбитах. Рассмотрим весь космический мусор, вращающийся вокруг Земли. Эти обломки постоянно сталкиваются друг с другом, а иногда и с важными космическими кораблями. Предсказать, где в этом рое будут потенциально опасные обломки, может быть очень сложно. Но оно того стоит, если ученые смогут предвидеть столкновение и убрать космический корабль с пути.

Диаграмма, показывающая расположение точек Лагранжа
На этом графике показано, где находятся все пять точек Лагранжа орбитального космического корабля в системе Солнце-Земля. В любой из этих точек космический корабль останется на месте без необходимости часто запускать двигатели. (Маленький белый кружок вокруг Земли — это Луна на своей орбите.) Обратите внимание, что расстояния здесь не в большом масштабе. Научная группа НАСА / WMAP

Иногда потенциальная цель столкновения не может изменить свой курс. Подумайте о метеорите или другом космическом камне, орбита которого может привести к его столкновению с Землей. Если нам повезет, эти приближающиеся камни сгорят в атмосфере Земли. Но если валун слишком велик, чтобы полностью разрушиться на своем пути по воздуху, он может удариться о землю. И это может иметь катастрофические последствия — как это было с динозаврами 66 миллионов лет назад. Чтобы избежать этих проблем, ученые изучают, как сместить орбиту будущей космической скалы. Это требует особенно сложного количества орбитальных вычислений.

Спасение спутников — и, возможно, предотвращение апокалипсиса — не единственные причины для изучения орбит.

В 1700-х годах математик Жозеф-Луи Лагранж определил особый набор точек в пространстве вокруг Солнца и любой конкретной планеты. В этих точках гравитация Солнца и планеты уравновешивается. В результате космический корабль, припаркованный в этом месте, может оставаться там, не сжигая много топлива. Сегодня эти точки известны как точки Лагранжа.

Одна из таких точек, известная как L2, особенно полезна для космических телескопов, которым нужно оставаться очень холодными. Новый космический телескоп Джеймса Уэбба, или JWST, использует это преимущество.

При вращении в L2 JWST может указывать в сторону от Земли и Солнца. Это позволяет телескопу вести наблюдения в любой точке космоса. А поскольку L2 находится примерно в 1,5 миллионах километров (миллион миль) от Земли, это достаточно далеко как от Земли, так и от Солнца, чтобы приборы JWST оставались чрезвычайно холодными. Но L2 также позволяет JWST оставаться в постоянном контакте с Землей. Поскольку JWST вращается вокруг Солнца на L2, он всегда будет находиться на одном и том же расстоянии от Земли, поэтому телескоп может отправлять домой свои потрясающие виды, когда вы сталкиваетесь со вселенной.

Космический телескоп Джеймса Уэбба, или JWST, вращается вокруг Солнца. На этой орбите телескоп остается на постоянном расстоянии 1,5 миллиона километров (один миллион миль) от Земли. Эта анимация начинается с показа орбиты космического корабля, видимой с вершины Солнечной системы. Затем перспектива меняется, чтобы показать путь JWST сразу за орбитой Земли.

Leave a Comment