Як Ви думаєте, чому космонавти в космосі відчувають стан невагомості? Є велика ймовірність, що відповісте не правильно.
На питання, чому предмети та космонавти в умовах космічного корабля постають у стані невагомості, багато людей дають таку відповідь:
1. У космосі відсутня сила тяжіння, тому вони нічого не важать.
2. Космос - це вакуум, а у вакуумі немає сили тяжіння.
3. Космонавти знаходяться надто далеко від поверхні Землі, щоб на них могла діяти сила її тяжіння.
Усі ці відповіді неправильні!
Головне, що треба розуміти це те, що в космосі є сила тяжіння. Це досить поширене хибне уявлення. Що утримує Місяць її орбіті навколо Землі? Сила тяжіння. Що тримає Землю на орбіті навколо Сонця? Сила тяжіння. Що не дозволяє галактикам розлітатись у різні боки? Сила тяжіння.
Сила тяжіння існує у космосі скрізь!
Якби ви збудували на Землі вишку заввишки 370 км (230 миль), приблизно як висота орбіти космічної станції, то сила тяжіння, що діє на вас нагорі вишки, була б майже такою самою, як і на поверхні землі. Якби ви зважилися зробити крок з вишки, ви б рушили до Землі так само, як це збирається зробити трохи пізніше цього року Фелікс Баумгартнер (Felix Baumgartner), коли спробує зробити стрибок з краю космосу. (Звичайно, при цьому ми не враховуємо низькі температури, які миттєво почнуть вас заморожувати, або як відсутність повітря чи аеродинамічного опору вбиватиме вас, а падіння крізь шари атмосферного повітря змусить усі частини вашого тіла випробувати на власному досвіді, що таке «здерти три шкіри ». І до того ж, раптова зупинка також завдасть вам маси незручностей).
Так, так чому ж космічна орбітальна станція або супутники, що знаходяться на орбіті, не падають на Землю, і чому космонавти і предмети, що їх оточують, усередині міжнародної космічної станції (МКС) або будь-якого іншого космічного корабля здаються плаваючими?
Виявляється, вся справа у швидкості!
Космонавти, сама міжнародна космічна станція (МКС) та інші об'єкти, що знаходяться на земній орбіті, не плавають, насправді вони падають. Але вони не падають на Землю через свою величезну орбітальну швидкість. Натомість вони «падають навколо» Землі. Об'єкти на земній орбіті повинні рухатися зі швидкістю щонайменше 28,160 км/год (17,500 миль на годину). Тому, як тільки вони прискорюються щодо Землі, сила тяжіння Землі відразу ж згинає і веде траєкторію їхнього руху вниз, і вони ніколи не подолають цей мінімум зближення із Землею. Оскільки космонавти мають таке ж прискорення, як і космічна станція, вони мають стан невагомості.
Трапляється, що ми можемо випробувати цей стан — короткочасно — на Землі, у момент падіння. Чи доводилося вам бувати на атракціоні «американські гірки», коли відразу після проходження найвищої точки («вершини гірки»), коли візок уже починає котитися вниз, ваше тіло піднімає з сидіння? Якби ви знаходилися в ліфті на висоті стоповерхового хмарочоса, і відбувся обрив троса, то поки ліфт падав, ви б ширяли в невагомості в кабіні ліфта. Звичайно, у цьому випадку фінал виявився б набагато драматичнішим.
І потім, ви, ймовірно, чули про аероплан, що забезпечує стан невагомості (Vomit Comet) - аероплан KC 135, який НАСА використовує для створення короткочасних станів невагомості, для тренувань космонавтів та перевірки експериментів або обладнання в умовах невагомості (zero-G) , а також для здійснення комерційних польотів у невагомості, коли літак летить по параболічній траєкторії, як в атракціоні «американські гірки» (але з великими швидкостями і на великих висотах), проходить через вершину параболи і прямує вниз, то в момент падіння літака створюються умови невагомості. На щастя, літак виходить із пікірування та вирівнюється.
Однак, повернімося до нашої вежі. Якби замість звичайного кроку з вежі ви зробили стрибок з розбігу, ваша енергія, спрямована вперед, віднесла б вас далеко від вежі, разом з тим сила тяжіння знесла б вас вниз. Замість того, щоб приземлитися біля основи вишки, ви приземлилися б на відстані від неї. Якби при розбігу ви збільшили швидкість, ви змогли б стрибнути далі від вежі, перш ніж досягли землі. Ну, а якби ви могли бігати так само швидко, як рухається орбітою навколо Землі космічний корабельбагаторазового використання та МКС, зі швидкістю 28,160 км/год (17,500 миль на годину), то дугова траєкторія вашого стрибка зробила б коло навколо Землі. Ви знаходилися б на орбіті і відчували стан невагомості. Але ви падали б, не досягаючи поверхні Землі. Правда, скафандр і запаси повітря, придатного для дихання, вам все ж таки знадобилися б. А якби ви могли бігати зі швидкістю приблизно 40,555 км/год (25,200 миль на годину), ви вистрибнули б відразу за межі Землі і почали обертатися навколо Сонця.
Ми говоримо про те, що на будь-який об'єкт, що знаходиться в безпосередній близькості до Землі, діє її сила гравітації. А якщо так, то він не може довго перебувати на її орбіті, і обов'язково впаде на поверхню, якщо до цього не згорить у верхніх шарах атмосфери. Ця ж доля, за ідеєю, повинна осягнути МКС, яка знаходиться на відстані 400 кілометрів від поверхні планети. Але навіть така солідна відстань не може позбавити космічну станцію сили земної гравітації. Але тоді як вона настільки тривалий час утримується на стаціонарній орбіті?
Давайте спочатку розберемося, що являє собою міжнародна космічна станція. Це складна модульна конструкція вагою 400 тонн. Якщо говорити про її розміри, то вони приблизно такі самі, як поле для гри в американський футбол. Щоб зібрати таку конструкцію, знадобилося 13 років. За цей час було проведено величезну роботу, яка включає: численні запуски космічних вантажних кораблів «Прогрес», американських «Шатлів», вихід космонавтів у відкритий космос. У теперішній моментвартість міжнародної космічної станції становить понад 150 мільярдів доларів. На станції постійно перебувають шість космонавтів, які є представниками різних країн світу.
Але повернемося до нашого первісного питання, і спробуємо розібратися, чому станція під дією сил гравітації не падає на поверхню Землі.
Насправді вона потихеньку падає. Протягом року її зниження сягає двох кілометрів. І якби не коригування орбіти, то ми давно б із нею розпрощалися. Саме своєчасне коригування дозволяє МКС залишатися на стаціонарній орбіті. Ви не повірите, але така складна і важка конструкція має високу мобільність. Вона може змінювати параметри орбіти, рухатися в усіх напрямках, і навіть перевертатися за необхідності, у тому, наприклад, щоб ухилитися від різних космічних об'єктів, у яких входить і космічний сміття.
Усі переміщення здійснюються з допомогою спеціальних двигунів, іменованих гіродинами. На станції їх чотири. Щоб зорієнтувати станцію або скоригувати її орбіту, із Землі надходить команда на їх запуск, після чого станція починає свій рух. За таку відповідальну операцію відповідає спеціальний оператор. До його обов'язку входить не лише своєчасне коригування орбіти МКС, а й забезпечення її безпеки з метою недопущення зіткнення з метеоритами та космічним сміттям. Аналогічні прискорювачі та двигуни є на вантажних космічних кораблях «Прогрес», які пристиковуються до МКС. З їх допомогою можна також коригувати її орбіту.
Також оператор стежить за масою станції. Без цього неможливо точно розрахувати тягу геродинів, яка не повинна бути меншою за 1 м/секунду. Маса станції постійно змінюється. Як правило, це відбувається в момент пристикування до неї чергового вантажного корабля «Прогрес», який доставляє корисний вантаж на борт. Космонавти у процесі планового переміщення станції жодної участі не беруть. Усім керує оператор із Землі.
На питання, чому предмети, а також самі космонавти під час перебування на орбіті знаходяться в невагомості, часто можна почути невірні відповіді. Насправді в космосі є сила тяжіння, адже завдяки їй утримуються планети.
Без дії сили тяжіння галактики могли б просто розлетітися на всі боки. Насправді невагомість виникає завдяки наявності швидкості руху.
Насправді космонавти, а також інші предмети, що знаходяться на земній орбіті, падають. Однак це падіння відбувається не в звичному значенні (на Землю, з орбітальною швидкістю), а ніби навколо Землі.
При цьому їх рух повинен становити не менше ніж сімнадцять з половиною миль на годину. При прискоренні щодо Землі сила тяжкості тут переносить траєкторію руху, спрямовуючи її вниз, тому космонавти під час польоту ніколи не зможуть подолати мінімум зближення із Землею. А через те, що прискорення космонавтів дорівнює прискоренню космічної станції, вони перебувають у стані невагомості.
Сьогодні ми можемо вийти за межі свого будинку рано-вранці або ввечері і побачити яскраву космічну станцію, що пролітає над головою. Хоча космічні подорожістали повсякденною частиною сучасного світуДля багатьох людей космос і питання, пов'язані з ним, залишаються загадкою. Так, наприклад, багатьом людям незрозуміло, чому супутники не падають на Землю та не відлітають у космос?
Якщо ми кинемо м'яч у повітря, він скоро повернеться на Землю, як і будь-який інший об'єкт, як, наприклад, літак, куля або навіть повітряна куля.
Щоб зрозуміти, чому космічний корабель здатний обертатися навколо Землі, не падаючи принаймні за нормальних обставин, потрібно провести уявний експеримент. Уявіть, що ви перебуваєте на ньому немає повітря і атмосфери. Нам потрібно позбавитися повітря, щоб ми могли зробити нашу модель максимально простою. Тепер вам доведеться подумки піднятися на вершину високої гори зі зброєю, щоб зрозуміти, чому супутники не падають на Землю.
Направляємо стовбур зброї рівно горизонтально і стріляємо до західного горизонту. Снаряд вилетить із дула з величезною швидкістю і попрямує на захід. Як тільки снаряд залишить ствол, він почне наближатися до поверхні планети.
Оскільки гарматний шар швидко просувається на захід, він впаде на землю на деякій відстані від вершини гори. Якщо ми продовжуватимемо збільшувати потужність гармати, снаряд впаде на землю набагато далі від місця пострілу. Оскільки наша планета має форму кулі, кожен раз, коли куля вилітатиме з дула, вона падатиме далі, тому що планета також продовжує обертатися навколо своєї осі. Ось чому супутники не падають на Землю під впливом сили тяжіння.
Оскільки це уявний експеримент, ми можемо зробити постріл пістолета потужнішим. Зрештою, ми можемо уявити ситуацію, в якій снаряд рухається з тією ж швидкістю, що й планета.
На цій швидкості, без опору повітря, яке його сповільнює, снаряд продовжуватиме обертатися навколо Землі вічно, оскільки він безперервно падатиме до планети, але Земля також продовжуватиме падати з тією ж швидкістю, як би «вислизаючи» від снаряда. Ця умова називається вільним падінням.
У реальному ж житті все не так просто, як у нашому уявному експерименті. Тепер ми повинні мати справу з опором повітря, яке викликає уповільнення швидкості руху снаряда, зрештою позбавляючи його швидкості, необхідної для того, щоб залишатися на орбіті і не падати на Землю.
Навіть на відстані кількох сотень кілометрів від поверхні Землі все ще існує певний опір повітря, що діє на супутники та космічні станції та призводить до їх уповільнення. Цей опір зрештою призводить до того, що космічний корабель або супутник потрапляють у шари атмосфери, де вони зазвичай згоряють через тертя з повітрям.
Якби космічні станції та інші супутники не мали прискорення, здатного підштовхнути їх вище орбітою, всі вони безуспішно впали б на Землю. Таким чином, швидкість супутника регулюється таким чином, щоб він падав на планету з тією ж швидкістю, з якою планета кривою рухається у напрямку від супутника. Ось чому супутники не падають на землю.
Той же процес застосовний до нашого Місяця, який переміщається на орбіті вільного падіння навколо Землі. Кожну секунду Місяць наближається приблизно на 0,125 см до Землі, але в той же час поверхня нашої сферичної планети зміщується на ту саму відстань, ухиляючись від Місяця, тому відносно один одного вони залишаються на своїх орбітах.
Немає нічого чарівного щодо орбіт та такого явища, як вільне падіння — вони лише пояснюють, чому супутники не падають на Землю. Це просто сила тяжіння та швидкість. Але це неймовірно цікаво, втім, як і решта, пов'язане з космосом.
Як відомо, геостаціонарні супутники висять нерухомо над землею над тією ж точкою. Чому вони не падають? На тій висоті не діє сила тяжіння?
Геостаціонарний штучний супутник Землі є апарат, який рухається навколо планети в східному напрямку (у тому ж, в якому обертається сама Земля), по круговій екваторіальній орбіті з періодом обігу, що дорівнює періоду свого обертання Землі.
Таким чином, якщо дивитися з Землі на геостаціонарний супутник, ми будемо бачити його нерухомо висить на тому самому місці. Через цю нерухомість і велику висоту близько 36 000 км, з якої видно майже половину Землі, на геостаціонарну орбіту виводять супутники-ретранслятори для телебачення, радіо і комунікацій.
З того, що геостаціонарний супутник висить постійно над однією і тією ж точкою поверхні Землі, деякі роблять невірний висновок, що на геостаціонарний супутник не діє сила тяжіння до Землі, що сила тяжіння певній відстані від Землі зникає, тобто вони спростовують самого Ньютон. Звичайно, це не так. Сам запуск супутників на геостаціонарну орбіту розраховується саме згідно із законом всесвітнього тяжінняНьютон.
Геостаціонарні супутники, як і решта супутників, насправді падають на Землю, але не досягають її поверхні. На них діє сила тяжіння до Землі (гравітаційна сила), спрямована до її центру, а у зворотному напрямку на супутник діє відцентрова сила, що відштовхує від Землі (сила інерції), які врівноважують один одного - супутник не відлітає від Землі і не падає на неї точно так само, як відро, що розкручується на мотузці, залишається на своїй орбіті.
Якби супутник зовсім не рухався, то він упав би на Землю під дією тяжіння до неї, але супутники рухаються, в тому числі і геостаціонарні (геостаціонарні - з кутовою швидкістю рівною кутовою швидкістю обертання Землі, тобто один оборот за добу, а у супутників нижчих орбіт кутова швидкість більше, т. е. протягом доби вони встигають зробити навколо Землі кілька обертів). Лінійна швидкість, що повідомляється супутнику паралельно поверхні Землі при безпосередньому виведенні на орбіту порівняно велика (на низькій навколоземній орбіті - 8 кілометрів на секунду, на геостаціонарній орбіті - 3 кілометри на секунду). Якби не було Землі, то супутник з такою швидкістю летів би прямою, але наявність Землі змушує супутник падати на неї під дією сили тяжіння, викривляючи траєкторію у напрямку до Землі, але поверхня Землі не плоска, вона викривлена. Наскільки супутник наближається до Землі, на стільки поверхню Землі йде з-під супутника і, таким чином, супутник постійно перебуває в одній і тій же висоті, рухаючись по замкнутої траєкторії. Супутник постійно падає, але ніяк не може впасти.
Отже, всі штучні супутники Землі падають на Землю, але – по замкнутій траєкторії. Супутники перебувають у стані невагомості, як усі падаючі тіла (якщо ліфт у хмарочосі зірветься і почне вільно падати, то люди всередині теж будуть у стані невагомості). Космонавти всередині МКС знаходяться у невагомості не тому, що на орбіті не діє сила тяжіння до Землі (вона там майже така сама як і на поверхні Землі), а тому, що МКС вільно падає на Землю – по замкнутій круговій траєкторії.
