Почему в космосе испытывают состояние невесомости? Почему спутники не сходят с орбиты? Факты об МКС.

Сегодня мы можем выйти за пределы своего дома ранним утром или вечером и увидеть яркую космическую станцию, пролетающую над головой. Хотя космические путешествия стали обыденной частью современного мира, для многих людей космос и вопросы, связанные с ним, остаются загадкой. Так, например, многим людям непонятно, почему спутники не падают на Землю и не улетают в космос?

Элементарная физика

Если мы бросим мяч в воздух, он скоро возвратится на Землю, как и любой другой объект, как, например, самолет, пуля или даже воздушный шар.

Чтобы понять, почему космический корабль способен вращаться вокруг Земли, не падая, по крайней мере, при нормальных обстоятельствах, нужно провести мысленный эксперимент. Представьте, что вы находитесь на но на ней нет воздуха и атмосферы. Нам нужно избавиться от воздуха, чтобы мы могли сделать нашу модель максимально простой. Теперь, вам придется мысленно подняться на вершину высокой горы с орудием, чтобы понять, почему спутники не падают на Землю.

Поставим эксперимент

Направляем ствол орудия ровно горизонтально и стреляем к западному горизонту. Снаряд вылетит из дула с огромной скоростью и направится на запад. Как только снаряд покинет ствол, он начнет приближаться к поверхности планеты.

Поскольку пушечный шар быстро продвигается на запад, он упадет на землю на некотором расстоянии от вершины горы. Если мы будем продолжать увеличивать мощность пушки, снаряд упадет на землю намного дальше от места выстрела. Поскольку наша планета имеет форму шара, каждый раз, когда пуля будет вылетать из дула, она будет падать дальше, потому что планета также продолжает вращаться вокруг своей оси. Вот почему спутники не падают на Землю под действием силы тяжести.

Поскольку это мысленный эксперимент, мы можем сделать выстрел пистолета более мощным. В конце концов, мы может вообразить ситуацию, в которой снаряд двигается с той же скоростью, что и планета.

На этой скорости, без сопротивления воздуха, которое его замедляет, снаряд будет продолжать вращаться вокруг Земли вечно, поскольку он будет непрерывно падать к планете, но Земля также будет продолжать падать с той же скоростью, как бы «ускользая» от снаряда. Это условие называется свободным падением.

На практике

В реальной же жизни, все не так просто, как в нашем мысленном эксперименте. Теперь мы должны иметь дело с сопротивлением воздуха, которое вызывает замедление скорости движения снаряда, в конечном итоге лишая его скорости, необходимой ей для того, чтобы оставаться на орбите и не падать на Землю.

Даже на расстоянии нескольких сотен километров от поверхности Земли все еще существует некоторое сопротивление воздуха, которое действует на спутники и космические станции и приводит к их замедлению. Это сопротивление в конечном итоге приводит к тому, что космический корабль или спутник попадают в слои атмосферы, где они обычно сгорают из-за трения с воздухом.

Если бы космические станции и другие спутники не имели ускорения, способного подтолкнуть их выше по орбите, все они безуспешно упали бы на Землю. Таким образом, скорость спутника регулируется таким образом, чтобы он падал на планету с той же скоростью, с которой планета по кривой движется по направлению от спутника. Вот почему спутники не падают на Землю.

Взаимодействие планет

Тот же процесс применим к нашей Луне, которая перемещается на орбите свободного падения вокруг Земли. Каждую секунду Луна приближается примерно на 0,125 см к Земле, но в то же время поверхность нашей сферической планеты смещается на то же расстояние, уклоняясь от Луны, поэтому относительно друг друга они остаются на своих орбитах.

Нет ничего волшебного в отношении орбит и такого явления, как свободное падение — они лишь объясняют, почему спутники не падают на Землю. Это просто сила тяжести и скорость. Но это невероятно интересно, впрочем, как и все остальное, связанное с космосом.

Или почему спутники не падают? Орбита спутника представляет собой хрупкий баланс между инерцией и гравитацией. Сила тяжести непрерывно притягивает спутник к Земле, в то время как инерция спутника стремится поддерживать его движение прямолинейным. Если бы не было силы тяжести, инерция спутника отправила бы его прямо с земной орбиты в открытый космос. Однако в каждой точке орбиты сила тяжести держит спутник на привязи.

Чтобы достичь равновесия между инерцией и силой тяжести, спутник должен иметь строго определенную скорость. Если он летит слишком быстро, инерция преодолевает силу тяжести и спутник покидает орбиту. (Вычисление так называемой второй космической скорости, позволяющей спутнику покидать околоземную орбиту, играет важную роль в запуске межпланетных космических станций.) Если спутник движется слишком медленно, сила тяжести победит в борьбе с инерцией и спутник упадет на Землю. Именно это случилось в 1979 году, когда американская орбитальная станция Скайлэб начала снижаться в результате растущего сопротивления верхних слоев земной атмосферы. Попав в железные клещи гравитации, станция вскоре упала на Землю.

Скорость и расстояние

Поскольку земное притяжение ослабевает с расстоянием, скорость, необходимая для удержания спутника на орбите, изменяется с высотой над уровнем моря. Инженеры могут вычислять, как быстро и как высоко спутник должен вращаться на орбите. Например, геостационарный спутник, расположенный всегда над одной и той же точкой земной поверхности, должен совершать один виток за 24 часа (что соответствует времени одного оборота Земли вокруг своей оси) на высоте 357 километров.

Сила тяжести и инерция

Балансирование спутника между силой тяжести и инерцией может быть сымитировано вращением груза на привязанной к нему веревке. Инерция груза стремится переместить его подальше от центра вращения, в то время как натяжение веревки, выполняющее роль гравитации, удерживает груз на круговой орбите. Если веревку перерезать, груз улетит по прямолинейной траектории перпендикулярно радиусу своей орбиты.

Одним из величайших достояний человечества является международная космическая станция, или МКС. Для ее создания и работы на орбите объединилось несколько государств: Россия, некоторые страны Европы, Канада, Япония и США. Этот аппарат свидетельствует о том, что можно добиться многого, если постоянно сотрудничать странам. Об этой станции знают все люди планеты и многие задаются вопросами о том, на какой высоте летает МКС и по какой орбите. Сколько космонавтов там побывало? А правда ли, что туда пускают туристов? И это далеко не все, что интересно человечеству.

Строение станции

МКС состоит из четырнадцати модулей, в которых располагаются лаборатории, склады, комнаты отдыха, спальни, хозпомещения. На станции даже имеется спортзал с тренажерами. Весь этот комплекс работает на солнечных батареях. Они огромны, величиной со стадион.

Факты об МКС

За время своей работы станция вызывала немало восхищений. Этот аппарат является величайшим достижением человеческих умов. По своей конструкции, назначению и особенностям его можно назвать совершенством. Конечно, может быть, лет через 100 на Земле начнут строить космические корабли другого плана, но пока что, на сегодняшний день, этот аппарат - достояние человечества. Об этом свидетельствуют следующие факты об МКС:

За время своего ее существования на МКС космонавтов побывало около двухсот. Также здесь были туристы, которые просто прилетели посмотреть на Вселенную с орбитальной высоты.
Станцию видно с Земли невооруженным глазом. Эта конструкция является самой большой среди искусственных спутников, и ее легко можно увидеть с поверхности планеты без какого-то увеличивающего устройства. Есть карты, на которых можно посмотреть, в какое время и когда аппарат пролетает над городами. По ним легко отыскать сведения о своем населенном пункте: увидеть расписание полета над регионом.
Для сборки станции и поддержания ее в рабочем состоянии космонавты вышли более 150 раз в открытый космос, проведя там около тысячи часов.
Управляется аппарат шестью астронавтами. Система жизнеобеспечения обеспечивает непрерывное присутствие на станции людей с момента ее первого запуска.
Международная космическая станция - это уникальное место, где проводятся самые разные лабораторные эксперименты. Ученые делают уникальные открытия в области медицины, биологии, химии и физики, физиологии и метеонаблюдений, а также в других областях науки.
На аппарате используются гигантские солнечные батареи, размер которых достигает площади территории футбольного поля с его конечными зонами. Их вес - почти триста тысяч килограмм.
Батареи способны полностью обеспечивать работу станции. За их работой тщательно следят.
На станции есть мини-дом, оснащенный двумя ванными и спортзалом.
За полетом следят с Земли. Для контроля разработаны программы, состоящие из миллионов строк кода.

Космонавты

С декабря 2017 года экипаж МКС состоит из следующих астрономов и космонавтов:

Антон Шкаплеров - командир МКС-55. Он дважды был на станции - в 2011-2012 и в 2014-2015 гг. За 2 полета он прожил на станции 364 дня.
Скит Тингл - бортинженер, астронавт НАСА. Этот космонавт не имеет опыта космических полетов.
Норишиге Канаи - бортинженер, астронавт Японии.
Александр Мисуркин. Первый его полет был совершен в 2013 году длительностью 166 суток.
Макр Ванде Хай не имеет опыта полетов.
Джозеф Акаба. Первый полет совершил в 2009 году в составе «Дискавери», а второй полет был осуществлен в 2012 году.

Земля из космоса

Из космоса на Землю открываются уникальные виды. Об этом свидетельствуют фотографии, видеосъемки астронавтов и космонавтов. Увидеть работу станции, космические пейзажи можно, если посмотреть онлайн-трансляции со станции МКС. Однако некоторые камеры бывают выключенными, что связано с техработами.

Мы говорим о том, что на любой объект, находящийся в непосредственной близости от Земли, действует ее сила гравитации. А раз так, то он не может долго находится на ее орбите, и обязательно упадет на поверхность, если до этого не сгорит в верхних слоях атмосферы. Эта же участь, по идее, должна постигнуть МКС, которая находится на удалении 400 километров от поверхности планеты. Но даже столь солидное расстояние не может избавить космическую станцию от силы земной гравитации. Но тогда каким образом она столь продолжительное время удерживается на стационарной орбите?

Давай те сначала разберемся, что собой представляет международная космическая станция. Это сложная модульная конструкция, весом 400 тонн. Если говорить о ее размерах, то они примерно такие же, как поле для игры в американский футбол. Чтобы собрать такую конструкцию, понадобилось 13 лет. За это время была проведена огромная работа, которая включает в себя: многочисленные запуски космических грузовых кораблей «Прогресс», американских «Шатлов», выход космонавтов в открытый космос. В настоящий момент стоимость международной космической станции составляет более 150 миллиардов американских долларов. На станции постоянно находятся шесть космонавтов, которые являются представителями разных стран мира.

Но вернемся к нашему первоначальному вопросу, и попробуем разобраться, почему станция, под действием сил гравитации, не падает на поверхность Земли.

На самом деле она потихоньку падает. В течение года ее снижение достигает двух километров. И если бы не корректировка орбиты, то мы давно бы с ней распрощались. Именно своевременная корректировка позволяет МКС оставаться на стационарной орбите. Вы не поверите, но столь сложная и тяжелая конструкция обладает высочайшей мобильностью. Она может менять параметры орбиты, двигаться во всех направлениях, и даже переворачиваться при необходимости, для того, например, чтобы увернуться от различных космических объектов, в число которых входит и космический мусор.

Все перемещения осуществляются с помощью специальных двигателей, именуемых гиродинами. На станции их четыре. Чтобы сориентировать станцию или же скорректировать ее орбиту, с Земли поступает команда на их запуск, после чего станция начинает свое движение. За столь ответственную операцию отвечает специальный оператор. В его обязанность входит не только своевременная корректировка орбиты МКС, но и обеспечение ее безопасности, с целью недопущения столкновения с метеоритами и космическим мусором. Аналогичные ускорители и двигатели имеются на грузовых космических кораблях «Прогресс», которые пристыковываются к МКС. С их помощью также можно корректировать ее орбиту.

Также оператор следит за массой станции. Без этого невозможно точно рассчитать тягу геродинов, которая не должна быть меньше 1 м/секунду. Масса станции постоянно меняется. Как правило, это происходит в момент пристыковки к ней очередного грузового корабля «Прогресс», который доставляет на борт полезный груз. Космонавты в процессе планового перемещения станции никакого участия не принимают. Всем руководит оператор с Земли.