§ 21. Искусственные спутники Земли

Тела, которые обращаются вокруг планеты по замкнутым траекториям, называют её спутниками, а созданные людьми — искусственными спутниками Земли. Чтобы понять физику такого движения, вспомним простой опыт с шариком на нити. Если шарик толкнуть и отпустить, он опишет дугу и быстро замедлится. Причина торможения — сила трения и сопротивление воздуха, которые постоянно отнимают у шарика кинетическую энергию. Трение возникает при контакте с опорой, а сопротивление воздуха зависит от формы тела и от его скорости. Вместе они дают заметный тормозящий эффект, который в обычных условиях игнорировать нельзя. В вакууме такие потери исчезают, и характер движения меняется принципиально.

Если ослабить тормозящее влияние среды, шарик успеет сделать вокруг точки закрепления несколько полных оборотов, прежде чем остановится. При полном отсутствии сопротивления он вращался бы бесконечно по окружности. Вектор скорости при этом непрерывно поворачивался бы, потому что на шарик действует сила, всегда направленная к центру траектории. Тот же механизм работает в космосе: планеты обходят Солнце, а спутники — планеты. Роль центростремительной силы здесь играет гравитационное притяжение центрального тела. Работы такая сила не совершает, ведь она перпендикулярна перемещению, поэтому модуль скорости остаётся постоянным.

Условие перехода тела на орбиту наглядно объясняет мысленный опыт Ньютона (рис. 1). Посмотри на рисунок: с вершины высокой горы одно за другим летят ядра, и чем больше горизонтальная скорость, тем дальше от подножия падает каждое следующее; самая быстрая траектория уже не пересекает поверхность и замыкается в кольцо вокруг шара. Ньютон рассуждал так: тяготение непрерывно отклоняет брошенное тело от прямой линии, поэтому путь получается кривым. Но если убрать воздух и наращивать начальную скорость, кривизна траектории сравняется с кривизной планеты — тело перестанет достигать поверхности и станет искусственным спутником Земли, оставаясь на одной высоте.

Такое падение вокруг планеты остаётся свободным падением: на аппарат действует лишь сила тяжести. С поверхностью тело не встречается благодаря большой касательной скорости, которая уводит его вперёд быстрее, чем оно успевает снизиться (рис.