Wie bleiben Objekte wie Satelliten in der „Umlaufbahn“ um die Erde, ohne in den Weltraum zu schweben? Wird die „Umlaufbahn“ in einer bestimmten Entfernung von der Erde ermittelt?
Antworten
Die Schwerkraft wirkt auf Objekte im Weltraum genauso wie auf Objekte am Boden, wird jedoch langsam schwächer, je weiter man sich entfernt. Um zu verhindern, dass die Objekte auf die Erde zurückfallen, ist eine Anwesenheit im Orbit erforderlich!
Hier ist das übliche Gedankenexperiment, das die Physik demonstriert. Schnapp dir einen Ball und wirf ihn genau horizontal. Er schafft eine gewisse Distanz, doch sofort greift die Schwerkraft und der Ball beschleunigt in Richtung Erde, bis er auf dem Boden aufschlägt. Wenn Sie dies noch einmal tun, aber so stark wie möglich werfen, fliegt der Ball weiter über den Boden, wird aber dennoch zur Erde zurückgezogen. Wenn Sie immer schneller werfen (z. B. eine Waffe anstelle eines Balls verwenden), bewegt sich das Objekt weiter über den Boden, landet aber schließlich doch noch auf der Erde. Was passiert also, wenn die Geschwindigkeit weiter zunimmt? Schließlich beginnt der Boden aufgrund der Erdkrümmung unter dem Objekt wegzufallen, und die Schwerkraft zieht das Objekt immer in Richtung Erdmittelpunkt, sodass es weiterhin einer gekrümmten Bahn folgt. Wenn sich das Objekt mit einer Geschwindigkeit von etwa 27.000 Meilen pro Stunde bewegt, fällt der Boden unter dem Objekt genauso schnell weg, wie das Objekt auf das Objekt zufällt, und es wird einen kompletten Kreis rund um das Objekt machen und dorthin zurückkehren, wo es begonnen hat! Wie die Leute gerne sagen: Du fällst immer noch, du verfehlst einfach immer wieder den Boden.
Das Problem besteht natürlich darin, dass dies in der Erdatmosphäre aufgrund des Luftwiderstands nicht möglich ist – er verlangsamt das Objekt immer wieder, wenn man eine konstante Geschwindigkeit beibehalten möchte. Um also tatsächlich eine Umlaufbahn erreichen zu können, müssen wir auch auf eine Höhe aufsteigen, in der der Luftwiderstand keine Rolle mehr spielt – also etwa 100 km hoch. Sobald Sie so hoch angekommen sind und die erforderliche Umlaufgeschwindigkeit erreicht haben, können Sie Ihre Triebwerke abschalten und einfach rund um die Erde frei fallen – ständig fallend, aber niemals treffend. Aus diesem Grund scheint es in einem Raumschiff keine Schwerkraft zu geben – alles befindet sich im freien Fall, das Schiff und die Astronauten –, aber sie fallen tatsächlich aufgrund der Schwerkraft auf die Erde zu, jedoch mit genau der gleichen Geschwindigkeit zueinander.
Um in den Weltraum abzudriften und niemals auf die Erde zurückzufallen (oder im Orbit zu bleiben), müssen Sie eine höhere Geschwindigkeit (Fluchtgeschwindigkeit) erreichen, bei der Ihre Umlaufhöhe schneller ansteigt, als die Erde sie zurückziehen kann, und dann Sie Sie können endlich von der Schwerkraft der Erde befreit werden, die mit zunehmender Entfernung immer weiter abnimmt.
Satelliten schweben nicht durch den gleichen Mechanismus weg wie Sie ... wir nennen den Effekt „Schwerkraft“.
Ein Ball, den man nach oben wirft, kommt wieder nach unten … weil er nicht schnell genug fliegt, um wegzukommen.
Es gibt eine Geschwindigkeit, mit der man es werfen kann, damit es entkommt.
Was würde Ihrer Meinung nach passieren, wenn Sie den Ball genau mit der Übergangsgeschwindigkeit zwischen Abflug und Rückkehr werfen würden?
Dort leben sozusagen Satelliten.
Wir verfeinern es, indem wir den Satelliten auch seitwärts werfen. Je stärker Sie einen Ball seitwärts werfen, desto weiter fliegt er, bevor er den Boden berührt. Offensichtlich, oder?
Die Erde ist rund … daher ist es möglich, sie so stark zu werfen, dass der Ball die ganze Erde umrundet. Ohne Luftreibung ist dies einfacher.
Er könnte so stark geworfen werden, dass der Ball viele Male um die Erde herumfliegt, bevor er den Boden berührt.
Wenn man es zu stark wirft, fängt es an, sich spiralförmig von der Erde wegzubewegen.
Genau richtig, und es dreht sich einfach weiter und weiter … ohne Luftwiderstand, für immer.
Für die Umlaufbahn braucht man also einen geringen Luftwiderstand … aber im Prinzip könnte ein Satellit in jeder Entfernung umkreisen, wenn er klein ist.