Michael J. I. Brownin Keskustelu
Katso kuuta, eikä sitä ole vaikea kuvitella planeetaksi. Halkaisijaltaan 3 476 kilometriä oleva kivipallo, jossa on basalttitasankoja ja vuorijonoja ja jonka vetovoima saa aikaan vuoroveden täällä maapallolla.
valtavasta massastaan ja vetovoimastaan huolimatta Kuu tekee erinomaista työtä, ettei putoa maahan. Miksi? Koska kuu on kiertoradalla.
painovoiman ja kiertoratojen käsitteitä ovat vuosisatojen saatossa kehittäneet legendaariset tieteenharjoittajat, kuten Galileo Galilei, Johannes Kepler, Isaac Newton ja Albert Einstein.
kiertoradalla olevia satelliitteja käytetään rutiininomaisesti viestintään, kuvantamiseen ja navigointiin – silti monet eivät ymmärrä, miten nämä satelliitit pysyvät avaruudessa.
Going sideways
yleinen harhaluulo avaruusmatkailusta ja painottomuudesta on, että ne johtuvat painovoiman puuttumisesta. Vaikka painovoiman vetovoima maasta vähenee, kun mennään kauemmas avaruuteen, se ei koskaan häviä kokonaan. Päästä irti 100 000 kilometrin korkeudessa olevasta pallosta ja se putoaa vähitellen.
miten satelliitit ja kuut estävät itseään syöksymästä alas? Menemällä sivuttain.
Newton ei ehkä ollut hauska juhlissa, mutta hän saattoi luoda säröilevän ajatuskokeilun. Havainnollistaakseen satelliittien liikettä hän loi Newtonin tykin.
kun tykillä ampuu vaakasuoraan maahan, tykin kuula menee jonkin matkaa pudotessaan maahan. Ammu tykin kuula nopeammin pois tykistä ja se kulkee kauemmas maapallon ympäri ennen törmäystä.
Mitä jos tykinkuulan voisi ampua uskomattomalla 8 kilometrin sekuntivauhdilla? Tykinkuula seuraisi maan kaarevuutta, ja painovoima vetäisi sitä maata kohti, mutta ei koskaan saavuttaisi maata.
ainakin se olisi Newtonin ajatuskokeessa ilmanvastusta ja maagisen voimakas tykki.
nouseminen
Newtonin tykki on edelleen ajatuskoe, mutta 1900-luvulla tuli lopulta mahdolliseksi kulkea 8 kilometrin sekuntivauhtia. Ei tykeillä, vaan raketeilla.
sen lisäksi, että raketti on tykkejä mukavampi, se voi kulkea yli 100 kilometrin korkeudessa ja kiihdyttää sitten 8 kilometriin sekunnissa avaruuden tyhjyydessä. Tällä vauhdilla maailmanympäripurjehdus kestää vain 90 minuuttia.
kiertoradalle päästyään rakettimoottorit voidaan kytkeä pois päältä ja avaruusalus voi rantautua maapallon ympäri. On scifi-myytti, että avaruusalukset syöksyvät kiertoradalta, kun niiden moottorit sammutetaan.
Maan ilmakehä 100-1 000 kilometrin korkeudessa on poikkeuksellisen ohut, joten avaruusaluksen raahaaminen takaisin maahan kestää päivistä vuosiin.
Jos olet avaruusaluksen sisällä korkealla maailman yläpuolella, painovoima vetää sinua ja avaruusalustasi, ja silti olisit painoton.
painottomuus tapahtuu aina, kun painovoima vetää sinua vapaasti ilman vastusta (pinnalta tai ilmasta). Painottomuuden voi tuntea jopa menemättä 8 kilometriä sekunnissa, hypyn huipulla tai sukelluksen alussa.
mennään korkeammalle
Mitä tapahtuu, jos raketit ammutaan ja kiihdytetään 10 kilometrin sekuntivauhtiin? Sen sijaan, että seuraisit maan kaarevuutta, avaruusaluksesi seuraa polkua, joka vie sen kauas maasta.
kun avaruusalus vetäytyy pois maasta, se alkaa hidastua sekä pysty-että vaakasuunnassa (kulmamomentin säilymisen vuoksi). Lopulta se saavuttaa huippukorkeuden (apogee) ja putoaa takaisin kohti Maata kiihdyttäen samalla vauhtiaan.
prosessi kääntyy nyt päinvastaiseksi, jolloin avaruusalus kiihdyttää vauhtiaan, kunnes se saavuttaa minimikorkeuden (perigee). Tämän jälkeen prosessi toistuu, jolloin avaruusalus jäljittää ellipsin maapallon ympäri.
Mitä tapahtuu, jos raketit ammutaan uudelleen ja kiihdytetään 11 kilometrin sekuntivauhtiin? Nyt asiat muuttuvat mielenkiintoisiksi.
avaruusaluksesi kulkee poispäin maasta ja painovoima hidastaa sitä, mutta maan vetovoima laskee niin nopeasti, ettei se koskaan pysäytä sinua kokonaan. Avaruusaluksenne lähtee maan läheisyydestä vaeltamaan aurinkokuntamme läpi.
Stilling
vaikka jotkut satelliitit kiertävät maailman 90 minuutissa, toiset eivät näytä liikkuvan lainkaan. Sää-ja TV-satelliitit näyttävät leijuvan Päiväntasaajan yläpuolella.
nämä satelliitit ovat geostationaarisilla radoilla. Kun yksi kiertää kauempana maasta, kiertoradalla pysymiseen tarvittava nopeus pienenee ja kiertoradan suorittamiseen tarvittava aika kasvaa.
lähes 36 000 kilometrin korkeudessa maan kiertämiseen menee kokonainen vuorokausi. Kun Maapallokin pyörii akselillaan kerran päivässä, nämä satelliitit näyttävät asettuvan paikoilleen (pyörivästä)maasta käsin.
mennään vielä kauemmas maasta ja kiertoradat kestävät vielä pidempään. Kuu on luonnollinen satelliitti 384 000 kilometrin päässä Maasta ja yhden kiertoradan läpivieminen kestää hieman yli 27 päivää. Vaikka kuu kulkee kilometrin joka sekunti kohti itää, pyörivällä maalla Kuu nousee idästä ja laskee länteen.
ohikulkumatkalla
voimme itse asiassa nähdä satelliittien kulkevan yläpuolellamme ennen aamunkoittoa ja iltahämärän jälkeen, koska ne heijastavat auringonvaloa alas meitä kohti.
jotkut satelliitit seuraavat maan pyörimistä ja liikkuvat lännestä itään. Toisilla on kiertoradat, jotka vievät ne napojen yli ja kulkevat pohjoisesta etelään tai etelästä pohjoiseen.
Valitse oikea yö, niin näet massiivisen mutta painottoman Kansainvälisen avaruusaseman, kun se kiertää maapalloa.
satelliitit kulkevat äänettömästi yläpuolella, ja matka horisonttiin kestää muutaman minuutin. Meidän mielestämme heidän kulkunsa näyttää varsin seesteiseltä, vaikka he kulkevat useita kilometrejä joka sekunti satojen kilometrien korkeudessa.