Como a ISS orbita a Terra?
Respostas
A pergunta é bastante ampla, então minha resposta precisará ser, para cobrir as possíveis intenções.
O que significa orbitar?
Orbitar um planeta significa essencialmente estar acima do planeta e se mover para frente na mesma velocidade em que você está caindo em direção à Terra. Isso cria o fenômeno de cair constantemente em direção à Terra, mas nunca atingi-la.
Sir Isaac Newton usou a ideia de um canhão para ilustrar isso. Disparada em baixa velocidade, a bala de canhão caiu rapidamente na Terra. Disparado em uma velocidade mais rápida, foi mais longe. Cada caminho pode ser desenhado como uma curva. Como a Terra é redonda e se curva para baixo, à nossa frente - deve haver, ele raciocinou, uma velocidade para a frente que, quando combinada com a gravidade, produziria uma curva que combinasse com a curvatura da Terra e, portanto, nunca cairia para o chão.
Ok, e a órbita da ISS?
Para a ISS, a uma altitude de cerca de 250 milhas (400 km), essa velocidade de avanço é de cerca de 17.500 mph (7,8 km/s).
Para uma órbita circular, a equação para descobrir qual seria a velocidade apropriada é:
Onde G é a constante gravitacional. M é a massa do corpo que está sendo orbitado (Terra). R é a distância do centro da Terra ao objeto em órbita.
Então, o objeto está caindo em direção à Terra, mas continua errando a Terra. Esta é a verdadeira razão pela qual os astronautas flutuam dentro da Estação Espacial Internacional (ISS) - eles e o veículo estão em queda livre. Não é porque existe "gravidade zero" no espaço, como se costuma dizer. De fato, enquanto a aceleração da gravidade na superfície da Terra é de cerca de 9,81 m/s^2, na altitude da ISS a aceleração da gravidade caiu apenas para cerca de 8,75 m/s^2.
Você está divagando. Onde a ISS orbita?
Desculpe, já mencionamos a altitude. A ISS orbita cerca de 250 milhas (400 km) acima de nós. Vamos falar um pouco sobre sua trajetória.
Tradicionalmente, os veículos da NASA lançados da Flórida entram em órbita com uma inclinação de aproximadamente 28 graus (a latitude do Cabo Canaveral). Os veículos russos normalmente são lançados em órbita com uma inclinação de 51,6 graus (explicarei o porquê daqui a pouco).
Tecnicamente, podemos colocar uma espaçonave em qualquer orientação, mas quando lançamos um veículo, gostamos de aproveitar a velocidade que já possui com a rotação da Terra. A Terra gira mais rápido no equador e mais devagar nos pólos. Portanto, é significativamente mais barato orbitar com uma inclinação igual à latitude de lançamento. Qualquer outra coisa requer uma manobra que use combustível adicional. É preciso mais combustível para ir em direção ao equador e menos para ir em direção aos pólos.
Portanto, quando a NASA e os russos negociaram a colocação da ISS, foi acordado que seria mais econômico colocá-la em uma inclinação favorável aos russos. Também permite muito mais experimentos de observação da Terra, uma vez que uma maior parte da Terra é percorrida.
Agora, por que especificamente 51,6 graus. Isso parece um pouco estranho, a princípio, porque sabemos que os russos lançam de Baikonur. Mas se olharmos para Baikonur em um mapa, veremos que sua latitude é de cerca de 46 graus.
Mas, às vezes, os foguetes falham na subida. E tendo um vizinho que pode ver corpos de foguetes caindo sobre ele como um ataque, torna-se prudente tentar evitar sobrevoar esse vizinho na subida.
O lançamento a uma inclinação de 51,6 graus garante que a espaçonave não passe sobre a China até que esteja claramente no espaço.
Mas, na sua foto, não parece que sobrevoa a América do Norte?
Essa imagem é apenas uma única órbita. A ISS leva cerca de 90 minutos para voar uma vez ao redor da Terra. Durante esses 90 minutos, a Terra girou cerca de 22,5 graus; portanto, se ela sobrevoou uma cidade em uma órbita, essa cidade não estará lá na próxima órbita. Se você assistir à NASA TV, verá um mapa que se parece um pouco com este.
Este mapa está mostrando mais de uma órbita, está mostrando cerca de cinco órbitas. Não deixe que a forma do mapa o confunda sobre o caminho que o veículo está voando. Faz parecer que a ISS está mudando de direção - não está. Parece assim porque o mapa é plano, em vez de um globo. enrole-o em um globo e ficará bem. Se traçarmos muitas órbitas, obteremos algo parecido com isto:
A ISS orbita a maior parte da Terra - basicamente em todos os lugares entre 51,6 graus ao norte do equador e 51,6 graus ao sul do equador.
Ok, estou com você. É preciso muito combustível para ficar lá em cima?
Não. Ao contrário de um avião na atmosfera, uma espaçonave não precisa usar continuamente seus motores para avançar. Voltemos ao nosso amigo Sir Isaac Newton. Newton apresentou três leis do movimento. A primeira é:
Um objeto em repouso permanecerá em repouso a menos que seja influenciado por uma força desequilibrada. Um objeto em movimento continua em movimento com a mesma velocidade e na mesma direção, a menos que seja influenciado por uma força desequilibrada.
Assim, no vácuo do espaço, um objeto pode continuar a se mover em sua velocidade inicial até que algumas forças atuem sobre ele para retardá-lo.
Mas a ISS não está muito longe da Terra, então ainda há um pouco de gás pelo qual temos que voar. Com o tempo, a fina névoa de moléculas de gás em órbita desacelera a espaçonave por meio de forças de arrasto. Essa desaceleração faz com que o veículo diminua sua órbita. A ISS perde até 5 cm/s (0,1 mph) de velocidade e 100 metros (330 pés) de altitude a cada dia, devido às contínuas colisões com partículas de gás.
Aqui está uma imagem mostrando cerca de sete anos de história da altitude da ISS:
Cada um desses picos verticais para cima é uma queima do propulsor (reboost) realizada para recuperar a altitude por causa da altitude perdida devido à desaceleração. Hoje a ISS faz essas queimas uma vez por mês.
Queimaduras translacionais são disparos de propulsores feitos por módulos na parte traseira da Estação Espacial Internacional (ISS), como Progress, ATV (foto abaixo) ou, se necessário, o próprio Módulo de Serviço. No passado, o Space Shuttle Orbiter também foi usado para fornecer queimaduras translacionais.
Uma queima translacional é uma queimadura que afeta o vetor de velocidade da ISS. O vetor velocidade representa a direção do veículo em sua órbita.
Uma queima translacional fornece uma velocidade delta ao veículo, que, graças à mecânica orbital, resultará em uma mudança de altitude da ISS. Isso é chamado de Reboost (se a altitude estiver aumentando) ou Deboost (se a altitude estiver diminuindo).
Existem dois tipos de reinicialização - queima única e queima dupla. Um único reinício de queima envolve um disparo dos propulsores. O impacto do disparo é um aumento de altitude no lado oposto do planeta. Este tipo de reboost é feito para pequenos reboosts porque altera a excentricidade da órbita.
A ideia geral é que, se criarmos um delta-v em um ponto, esse delta-v afetará o veículo ao longo de sua órbita. Assim, na imagem acima, podemos ver que, na primeira metade da órbita (no sentido anti-horário), ela afasta a ISS de sua órbita nominal. Mas assim que passamos do ponto de 180 graus, podemos ver que o delta-v agora abaixa a ISS de volta ao seu ponto original.
Uma reinicialização de duas queimas começa essencialmente como uma reinicialização de queima única, mas no ponto de 180 graus ele aciona os propulsores novamente para cancelar o delta-v original. Isso faz com que a ISS esteja em uma nova órbita circular na altitude da segunda queima.
Na maioria das vezes, as reinicializações são feitas por um módulo Progress anexado. Normalmente usamos os propulsores menores no veículo, porque não queremos que a aceleração do veículo afete muito a ciência da carga útil em andamento. Normalmente, usamos quatro propulsores, cada um com uma força de 13,3 kg-f (29,3 lbf).
Vagando de novo...
Desculpe. Cobri tudo?
Digamos que sim, porque parei de ouvir Isaac Newton e canhões.
Demais é demais - 400 anos de repetição estúpida de absurdos devem ter um fim: a resposta de Robert Frost é o sermão da escola dominical de ciência do livro ilustrado, portanto, vou separá-lo frase por frase e mostrar como você foi enganado:
Frost: “Orbitar um planeta significa essencialmente estar acima do planeta e se mover para frente na mesma velocidade em que você está caindo em direção à Terra.”
Primeiro grande erro: “… seguindo em frente…” significa mover-se a uma velocidade [v] enquanto "... taxa de sua queda..." significa aceleração [g] que NUNCA é “….a mesma…” → m/s vs m/s^2
Frost: “Isso cria o fenômeno de cair constantemente em direção à Terra, mas nunca atingi-la.”
Próximo grande erro: “… caindo constantemente em direção à Terra,…” significa inequivocamente acelerar , mas também converter energia potencial [PE] em energia cinética [KE] , o que claramente NÃO é o caso: a lua e a ISS não estão acelerando e não estão ganhando KE
Frost: “Atirada em baixa velocidade, a bala de canhão caiu rapidamente na Terra. Disparado em uma velocidade mais rápida, foi mais longe. Cada caminho pode ser desenhado como uma curva.”
Erro crasso: não é “….uma curva…” é exatamente uma Parábola , e nada mais, nunca. Você vê como o engano funciona sutilmente? eles usam a palavra não especificada “curva” apenas para fazer você acreditar na próxima frase:
Frost: “Uma vez que a Terra é redonda e se curva para baixo , à nossa frente - deve haver, ele raciocinou, uma velocidade para a frente que, quando combinada com a gravidade, produziria uma curva que combinasse com a curvatura da Terra e, assim, nunca caia no chão.”
Não é um erro, mas puro engano: “… a Terra é redonda e curva para baixo…” bem, redonda e curva para baixo de forma circular ….. então “….. uma velocidade para a frente que, quando combinada com a gravidade, produziria uma curva que correspondia à curvatura da Terra...” NÃOOOO, NUNCA uma velocidade combinada com uma aceleração ortogonal produz uma curva (circular) que corresponda à curva (circular) da Terra, porque a Terra é um CÍRCULO e uma queda gravitacional é sempre uma PARABOLA, e eles nunca vão combinar.
O próximo passo do puro engano é introduzir sem qualquer explicação - e sem estar relacionado a Newton e seu experimento mental de bala de canhão de qualquer maneira - uma tendência centrífuga de um corpo em queda :
Frost: “Para a ISS, a uma altitude de cerca de 250 milhas (400 km), essa velocidade de avanço é de cerca de 17.500 mph (7,8 km/s).”
Frost faz parecer que esses números estão corretos no argumento anterior: é claro que não, porque, como todos sabemos: nenhuma velocidade menor que o infinito torna a trajetória de uma bala de canhão um círculo, para todas as velocidades finitas será uma parábola .
Então, onde está a fraude? é a introdução de uma aceleração que um corpo em queda NÃO experimenta, e isso é uma aceleração para cima !
NÃO há m･v^2/r em uma trajetória de bala de canhão e, portanto, este termo NÃO decorre do argumento de Newton.
Então, agora eles deixaram Newton completamente, mas ainda citam sua analogia de queda como base para suas trajetórias:
Frost: "Então, o objeto está caindo em direção à Terra, mas continua errando a Terra."
É claro que isso é um absurdo pelas razões mencionadas acima, como é o seguinte:
Frost “Não. Ao contrário de um avião na atmosfera, uma espaçonave não precisa usar continuamente seus motores para avançar”.
Pode não precisar dos motores para avançar, mas com certeza precisaria dos motores para se manter no ar, ou seja, para neutralizar a queda: um avião usa parte do combustível para se manter no ar por meio de forças de sustentação produzidas pelas asas que se movem através de um meio, o A ISS não teria esse luxo e, portanto, não seria capaz de permanecer no ar, porque a velocidade por si só não o faz, você precisa de um meio que traduza a velocidade de avanço em sustentação ascendente.
No momento em que você introduz a dinâmica rotacional com a=v^2/r - que é totalmente não newtoniano no contexto das órbitas - você entra na física de um lançamento de martelo e tem que calcular as consequências, que obviamente são convenientemente negligenciadas, porque conta-se com o público não sendo educado o suficiente para descobrir: no momento em que a rotação entra em ação, a ISS ao redor da Terra se movendo ao redor do sol experimentaria a dinâmica de um caminho trocóide, e isso terminaria com um estrondo antes da conclusão do a primeira órbita.
Resumindo: as órbitas gravitacionais são uma impossibilidade porque
a) a queda é uma aceleração, bem como uma conversão de PE e nada sobre uma órbita é acelerado nem convertido…… e
b) a rotação produz estiramento e forças de compressão que a gravidade não consegue suportar
portanto, ambas não são proposições físicas, e apenas uma dança retórica entre essas duas posições incompatíveis permite que a NASA confunda as pessoas a um ponto em que elas não sabem mais o que é de cima para baixo e acreditam e pagam por suas fantasias espaciais.