Международная космическая станция (МКС) вращается высоко над нашими головами, но земное притяжение никогда не срывает комплекс с орбиты и не отправляет его в атмосферу, где он сгорает.
Вот небольшой секрет: МКС всегда падает! Но при этом она никогда не падает на Землю и не сгорает в нашей атмосфере. Как такое возможно?
Звучит чудесно, но это не парадокс и не магия, а результат старой доброй физики. Все сводится к орбитальной скорости Международной космической станции, ее высоте над землей и скорости, с которой она падает под действием гравитации.
Научные и математические основы того, что удерживает МКС на орбите, восходят к отцу теории гравитации, английскому ученому XVII века сэру Исааку Ньютону. Известный своей сварливостью, Ньютон, вероятно, не пришел к своей теории гравитации от праздного сидения и мечтаний под деревом, когда яблоко упало ему на голову, как гласит старая история. Но он наблюдал за падением яблок, листьев и других предметов и задавался вопросом, почему они так падают.
Для начала давайте вспомним о том самом апокрифическом падающем яблоке. Когда оно висит на ветке, оно неподвижно, поэтому, когда оно падает, гравитация тянет его прямо вниз. Однако предположим, что вы поднимаете упавшее яблоко, а затем бросаете его, как мяч. Яблоко не падает прямо вниз, как это было, когда оно было неподвижно; теперь у него есть горизонтальное движение, конкурирующее с гравитацией, и оно по кривой падает на землю.
Ньютон использовал аналогию с пушечным ядром, выпущенным в горизонтальном направлении, которое движется по аналогичной кривой вниз к земле. Размер и форма этой кривой зависят от скорости пушечного ядра и сопротивления воздуха. Чем быстрее ядро и чем меньше сопротивление воздуха, тем больше расстояние, пройденное ядром, и тем меньше угол кривой, по которой ядро возвращается к земле.
Ньютон предположил, что если выстрелить пушечным ядром горизонтально с достаточно высокой горы, где воздух разрежен, и с достаточной скоростью, то кривая падения пушечного ядра под действием силы тяжести будет соответствовать кривизне Земли.
Высота и скорость
Именно эта предпосылка лежит в основе того, что поддерживает МКС на счастливой орбите над нашими головами.Это баланс между центростремительной силой, направленной к центру Земли, и силой земного притяжения, которая постоянно заставляет МКС испытывать гравитационное ускорение на своем изогнутом пути.
Скорость падения МКС по криволинейной траектории равна скорости, с которой криволинейная поверхность Земли опускается под ней.
Этот баланс достигается при определенных сочетаниях высоты и орбитальной скорости. МКС вращается на высоте около 402 километров, или 250 миль (мы объясним, почему мы говорим «около» в ближайшее время), и движется со скоростью 7,6 километра (4,7 мили) в секунду, что является скоростью, необходимой на этой высоте для того, чтобы продолжать следовать по траектории, соответствующей кривизне Земли. Если бы МКС вращалась вокруг Земли на большей высоте, ей не нужно было бы двигаться так быстро, чтобы поддерживать скорость кривизны своего падения. Если бы МКС находилась на меньшей высоте, ей пришлось бы двигаться быстрее, чтобы не упасть в атмосферу Земли и не сгореть.
Оно будет продолжать падать, следуя этой кривой, не теряя высоты, потому что планета в это время будет отклоняться от него.Ученые называют силу, действующую на объект и заставляющую его двигаться по кривой траектории, центростремительной силой, которая всегда направлена к центру кривизны.
Однако есть некоторые сложности, которые означают, что МКС нельзя оставлять на произвол судьбы бесконечно - в конце концов она рухнет обратно через атмосферу и сгорит, если мы не вмешаемся. Это происходит потому, что, даже находясь на высоте 402 километра над поверхностью, МКС все еще находится в пределах земной атмосферы, хотя и в очень тонкой ее части, называемой термосферой.
В термосфере очень низкая плотность, то есть молекул в атмосфере мало, но их все равно достаточно, чтобы противостоять движению МКС и создавать сопротивление, замедляющее ее движение.В результате космическая станция замедляется примерно на 5 сантиметров (2 дюйма) в секунду, в результате чего она теряет около 100 метров (328 футов) высоты над поверхностью Земли каждый день.
Вот почему мы сказали, что высота орбиты МКС составляет «около» 402 километров, ведь она постоянно теряет высоту. Каждый месяц или около того МКС приходится запускать свои двигатели, чтобы вернуть ее на запланированную высоту орбиты. Если бы у МКС не было способа поднять свою орбиту, она бы в конце концов упала глубже в атмосферу и сгорела, как огромный метеор.