door Michael J. I. Brown, het gesprek
neem een kijkje naar de maan en het is niet moeilijk voor te stellen als een planeet. Een gesteentebal van 3.476 kilometer diameter, met basaltvlakten en bergketens, waarvan de zwaartekracht getijden veroorzaakt hier op aarde.
ondanks zijn enorme massa en zwaartekracht, doet de maan uitstekend werk om niet op de aarde te vallen. Waarom? Omdat de maan in een baan is.de concepten van zwaartekracht en banen zijn door de eeuwen heen ontwikkeld door Legendarische wetenschappers, waaronder Galileo Galilei, Johannes Kepler, Isaac Newton en Albert Einstein.
satellieten in een baan worden routinematig gebruikt voor communicatie, beeldvorming en navigatie – toch begrijpen veel mensen niet hoe deze satellieten in de ruimte blijven.
zijwaarts gaan
een veel voorkomende misvatting over ruimtevaart en gewichtloosheid is dat ze het gevolg zijn van een afwezigheid van zwaartekracht. Terwijl de aantrekkingskracht van de aarde afneemt naarmate men verder de ruimte in gaat, verdwijnt deze nooit helemaal. Laat een bal los 100.000 km boven de aarde en het valt geleidelijk.
hoe voorkomen satellieten en manen dat ze neerstorten? Door zijwaarts te gaan.
Newton was misschien niet leuk op feestjes, maar hij kon wel een kraken gedachte-experiment maken. Om de beweging van satellieten te illustreren, maakte hij Newton ‘ s Kanon.
wanneer je een kanon horizontaal op de aarde afvuurt, gaat de kanonskogel enige afstand als hij op de grond valt. Vuur de kanonskogel sneller uit het kanon en het zal verder rond de aarde reizen voordat hij crasht.
Wat als je de kanonskogel kon afvuren met een ongelooflijke snelheid van 8 kilometer per seconde? De kanonskogel zou de kromming van de aarde volgen, naar de aarde getrokken worden door de zwaartekracht, maar nooit de grond bereiken.
in ieder geval zou het in Newton ‘ s gedachte-experiment, zonder luchtweerstand en een magisch krachtig kanon.
omhoog gaan
Newton ‘ s Kanon blijft een gedachte-experiment, maar in de 20e eeuw werd het uiteindelijk mogelijk om met snelheden van 8 kilometer per seconde te reizen. Niet met kanonnen, maar met raketten.
een raket is niet alleen comfortabeler dan een kanon, maar kan ook verder reizen dan 100 kilometer hoogte en vervolgens versnellen tot 8 kilometer per seconde in de leegte van de ruimte. Met die snelheid duurt het slechts 90 minuten om de wereld rond te varen.
eenmaal in een baan om de aarde kunnen de raketmotoren worden uitgeschakeld en kan een ruimtevaartuig om de aarde draaien. Het is een sci-fi mythe dat ruimtevaartuigen uit hun baan vallen als hun motoren worden uitgeschakeld.
de dampkring van de aarde op een hoogte tussen 100 en 1.000 kilometer is uitzonderlijk dun, dus het duurt dagen tot jaren voordat een ruimtevaartuig terug naar de Aarde wordt gesleept.
als je in een ruimtevaartuig zit, hoog boven de wereld, zal de zwaartekracht aan jou en je ruimtevaartuig trekken, en toch zou je gewichtloos zijn.
gewichtloosheid gebeurt wanneer je vrij wordt getrokken door de zwaartekracht, zonder weerstand (van een oppervlak of de lucht). Gewichtloosheid kan zelfs worden gevoeld zonder 8 kilometer per seconde te gaan, aan de top van een sprong of aan het begin van een duik.
hoger gaan
Wat gebeurt er als je de raketten opstart en versnelt tot een snelheid van 10 kilometer per seconde? In plaats van de kromming van de aarde te volgen, zal jullie ruimtevaartuig een pad volgen dat het ver van de aarde wegneemt.
als uw ruimtevaartuig zich van de aarde verwijdert, zal het zowel verticaal als horizontaal vertragen (vanwege het behoud van het impulsmoment). Uiteindelijk zal het een piekhoogte bereiken (apogeum) en terugvallen naar de aarde, terwijl het versnelt.
het proces keert nu om, waarbij het ruimtevaartuig snelheid opneemt tot het een minimumhoogte bereikt (perigeum). Het proces herhaalt zich dan, waarbij het ruimteschip een ellips rond de aarde trekt.
Wat gebeurt er als je de raketten opnieuw opstart en versnelt tot een snelheid van 11 kilometer per seconde? Nu wordt het interessant.
uw ruimtevaartuig zal weg reizen van de aarde en worden vertraagd door de zwaartekracht, maar de aantrekkingskracht van de aarde daalt zo snel dat het je nooit helemaal zal stoppen. Jullie ruimteschip zal de nabijheid van de aarde verlaten, om door ons zonnestelsel te dwalen.
stil blijven
terwijl sommige satellieten in 90 minuten rond de wereld vliegen, lijken andere helemaal niet te bewegen. Weer en TV-satellieten lijken boven de evenaar te zweven.
deze satellieten bevinden zich in geostationaire banen. Als men verder van de aarde cirkelt, neemt de snelheid die nodig is om in een baan te blijven af en neemt de tijd die nodig is om een baan te voltooien toe.
op bijna 36.000 km hoogte duurt een baan een hele dag om de aarde te cirkelen. Als de aarde ook eenmaal per dag om haar as draait, verschijnen deze satellieten gefixeerd op hun plaats vanuit ons (draaiende) aardse perspectief.
ga nog verder van de aarde af en banen nemen nog langer in beslag. De maan is een natuurlijke satelliet 384.000 km van de aarde en duurt iets meer dan 27 dagen om een enkele baan te voltooien. Hoewel de maan elke seconde een kilometer naar het oosten reist, komt de maan op in het oosten en gaat hij onder in het westen.
voorbij
we zien satellieten voor zonsopgang en na zonsondergang boven ons passeren, omdat ze zonlicht naar ons toe reflecteren.
sommige satellieten volgen de rotatie van de aarde en bewegen van west naar Oost. Anderen hebben banen die hen over de Polen nemen, en reizen van noord naar zuid of Van zuid naar Noord.
kies de juiste nacht en je zult het enorme maar gewichtloze Internationale Ruimtestation zien terwijl het rond de wereld draait.
stilletjes passeren de satellieten boven ons hoofd en doen er enkele minuten over om van horizon naar horizon te reizen. Voor ons lijkt hun passage vrij sereen, hoewel ze elke seconde vele kilometers afleggen op een hoogte van honderden kilometers.