У Земли есть один естественный спутник – Луна. Однако, во второй половине XXв у человечества появилась возможность создания искусственных спутников. На каких принципах основан их запуск ? Рассмотрим эту тему подробнее.
Если начальная скорость достаточно высока, то необходимо учитывать кривизну планеты. При больших скоростях поверхность планеты начнет «уходить» из-под падающего тела. Наконец, при определенном значении скорости тело никогда не достигнет поверхности, оно будет постоянно находиться в состоянии падения на планету, двигаясь по круговой траектории вокруг нее:
Первая космическая скорость
Какой скоростью должно обладать тело, чтобы начать такое «вечное падение» на планету по круговой орбите ?
Для нахождения этой скорости исходим из того, что при движении по окружности тело движется с центростремительным ускорением. Причиной этого ускорения является сила притяжения Земли. Приравняв центростремительное ускорение, найденное из значения скорости полета к ускорению, полученному по второму закону Ньютона, мы получим уравнение, из которого найдем необходимую скорость.
Тело, движущееся с мгновенной скоростью $v$ по круговой орбите радиусом $R$, имеет ускорение:
$$a_ц={v^2over R}$$
Если масса тела $m$, а масса планеты $M$, то сила притяжения равна:
$$F=G{Mmover R^2}$$
В результате действия этой силы у тела появляется ускорение:
$$a={Fover m}=G{Mover R^2}$$
Именно оно и является центростремительным. Следовательно:
$$a=a_ц$$
Или:
$${v^2over R}=G{Mover R^2}$$
После преобразования получим формулу искусственного спутника земли:
$$v=sqrt{G{Mover R}}$$
Для расчетов нередко удобнее использовать не массу планеты, а ускорение свободного падения на ее поверхности:
$$g=G {Mover R^2}$$
Подставляя эту формулу в предыдущую, получаем:
$$v=sqrt{gR}$$
Данная скорость называется первой космической скоростью. Тело, движущееся с этой скоростью, никогда не упадет и станет искусственным спутником Земли. Для нашей планеты первая космическая скорость составляет около восьми километров в секунду.
Запуск искусственных спутников Земли
Началом космической эры стала дата 4 октября 1957 года, когда в СССР состоялся успешный запуск первого искусственного спутника Земли. С тех пор в космос были запущены сотни космических аппаратов самых различных видов.
Для достижения первой космической скорости требуется сообщить космическому аппарату достаточно большую энергию. Поэтому космические запуски приходится осуществлять большими многоступенчатыми ракетами.
Кроме того, хотя вектор первой космической скорости должен быть направлен по касательной к круговой траектории, запуск космического аппарата всегда осуществляется вертикально, и лишь на самой большой высоте начинается горизонтальный разгон. Так приходится делать из-за достаточно плотной земной атмосферы, которая бы слишком сильно мешала разгону. Необходимо сперва подняться на такую высоту, где атмосфера достаточно разрежена, и лишь только потом увеличивать горизонтальную составляющую скорости.
Первая космическая скорость позволяет космическому аппарату лететь вокруг планеты по круговой орбите. Если скорость аппарата будет больше – траектория его полета станет эллипсом. При достижении второй космической скорости (для Земли она равна 11 км/с) траектория превратится в параболу, и тело сможет навсегда уйти из земного тяготения.
Что мы узнали?
Если сообщить телу достаточную горизонтальную скорость, то в результате кривизны планеты, она начнет «уходить» от падающего тела. В результате тело начнет «вечное падение» на планету по круговой орбите, и станет искусственным спутником Земли.
