Почему космический корабль имеет угловую скорость относительно Земли?

Запуск ракеты в космос на самом деле заключается в получении горизонтальной скорости: если вы летите достаточно быстро вбок, вы не попадаете в Землю, когда падаете на нее, и остаетесь в вечном свободном падении. Это орбита.

Вы правы в том, что космический корабль сначала запускается в вертикальном положении, а затем разворачивается, чтобы набрать скорость вбок. А нужно очень много, так как нужно лететь со скоростью почти 8 км/с боком, чтобы не упасть обратно на Землю.

Вот как обычно выглядит траектория запуска:

Причина первоначального вертикального запуска состоит в том, чтобы сначала покинуть атмосферу, поскольку большая скорость внутри нее вызовет огромное сопротивление.

Итак, цель запуска:

1. Поднимитесь достаточно высоко, чтобы избежать атмосферы
2. Двигайтесь вбок достаточно быстро, чтобы не упасть обратно на Землю.

Геостационарная орбита на самом деле не так уж отличается от других орбит, космические аппараты все еще движутся боком, чтобы избежать падения. Угловая скорость на этой высоте оказывается такой же, как и скорость, с которой вращается сама Земля, поэтому она просто выглядит неподвижной.

Если ракету запускать только вертикально, она упадет назад, как только закончится топливо (что происходит довольно скоро, даже у самой большой ракеты, которую мы когда-либо использовали, главные двигатели работали менее 20 минут, а время работы — более 90%). вес ракеты это топливо).

Мы придаем им угловую скорость, чтобы они могли оставаться в воздухе намного дольше, вращаясь вокруг Земли так же, как Луна, не требуя постоянной тяги.

Существует распространенное заблуждение, что космические корабли и спутники остаются на орбите, «избегая гравитации», но это не так. На низкой околоземной орбите сила тяжести немного меньше, но составляет примерно 90% от силы тяжести на поверхности Земли.

Причина кажущегося отсутствия гравитации в том, что корабль и все, что внутри него, находится в свободном падении. Вы можете достичь того же самого ближе к земле, садясь в самолет, который следует по параболической траектории .

Итак, если спутник постоянно падает, почему он не падает обратно на землю? Причина проста, но не очень интуитивна. Чтобы оставаться на орбите, кораблю нужна тангенциальная скорость относительно Земли, и поскольку Земля (примерно) сферическая, эта тангенциальная скорость имеет тенденцию отодвигать его от земной поверхности. На стабильной орбите движение прочь точно такое же, как движение вниз под действием силы тяжести. Поскольку в космосе практически нет сопротивления, для поддержания этой тангенциальной скорости требуется мало энергии или вообще не требуется энергии, поскольку общего изменения импульса нет. Сумма тангенциальной скорости и свободного падения к Земле представляет собой круговую (или, в более общем смысле, эллиптическую) орбиту.

Кроме того, угловая скорость, связанная с устойчивой орбитой, пропорциональна высоте или орбите, поэтому геостационарная орбита соответствует определенной высоте, а изменение скорости изменяет высоту.

Если это поможет понять это, вы можете придумать аналогию с теннисным мячом на отрезке резинки. Здесь резинка эквивалентна гравитации, если вы просто растянете резинку (т.е. тягу ракеты) и отпустите, то мяч «упадет» обратно к вашей руке. Однако, если вы вращаете мяч достаточно быстро, то угловая скорость мяча достигает равновесия с растяжением резинки, и чем быстрее вы вращаете его, тем больше натяжения (и растяжения) вы получаете в резинке. Конечно, в этой системе довольно много трения, поэтому вам нужно продолжать вкладывать энергию для поддержания равновесия, но в космосе эти потери на трение практически исчезают.

Однако, где вам действительно нужно много энергии, так это в первую очередь для ускорения ракеты до орбитальной скорости, и это требует гораздо больше энергии, чем достижение орбитальной высоты. На самом деле вы можете пройти большую часть пути в космос с очень небольшим количеством энергии, используя воздушный шар, но в этот момент вы все еще не на орбите.