Орбита

Международная космическая станция на орбите вокруг Земли.

Орбита — движение материальной точки в поле сил, что на неё действуют. В простейшем случае орбита двух тел этот круг или эллипс, фокус которого расположен в центре масс системы. Орбита может иметь более сложную форму, если на тело влияют много силовых полей. Проблема прогнозирования движения в случае трех массивных тел получила название задачи трех тел. Аналитического решения этой задачи в общем случае не существует, частичными решениями являются точки Лагранжа.

Планетные орбиты

В составе планетной системы, планеты, карликовые планеты, астероиды и другие малые планеты, кометы и космическая пыль движутся по орбите вокруг барицентра системы эллиптическими орбитами. Кометы на параболических или гиперболических орбитах вокруг барицентра гравитационно не связаны с звездой и поэтому не рассматриваются как часть планетной системы. Тела, которые гравитационно связаны с одной из планет в планетной системе (природные или искусственные спутники) движутся по орбитам вокруг барицентра соответствующей планеты.

Через взаимные гравитационные пертурбации, эксцентриситеты планетных орбит меняются со временем. Меркурий, самая маленькая планета Солнечной системы, имеет наиболее эксцентричную орбиту. В современную эпоху, Марс имеет следующий по величине эксцентриситет, в то время как маленькие эксцентриситеты орбит имеют Венера и Нептун.

Поскольку два объекта движутся по орбитам вокруг друг друга, перицентром называют такую ​​точку, в которой эти объекты находятся друг к другу ближе и апоцентром — точку, в которой они наиболее далеко друг от друга. Для отдельных тел могут использоваться более специфические термины. Например, перигей и апогей — это самая низкая и самая высокая точка орбит вокруг Земли, а перигелий и афелий являются ближайшей и отдаленной точкой орбиты вокруг Солнца.

В случае, когда планеты движутся по орбите вокруг звезды, масса звезды и всех ее спутников учитываются для расчета одной точки, которую называют барицентр. Траекториями движения всех спутников звезды являются эллиптические орбиты вокруг барицентра. Каждый спутник в такой системе будет иметь свою эллиптическую орбиту, в которой барицентром будет одним из фокусов эллипса. На любой точке орбиты, каждый спутник будет иметь определенную величину кинетической и потенциальной энергии относительно барицентра, и его общая энергия является постоянной в каждой точке орбиты. В результате, когда планета приближается к перицентру, она будет увеличивать скорость (поскольку ее потенциальная энергия уменьшается), когда планета приближается к апоцентру, ее скорость будет уменьшаться (поскольку потенциальная энергия увеличивается).

Общее объяснение

Существует два основных взгляда на объяснение орбит:

• Сила, такая как сила тяжести, заставляет объект двигаться изогнутой траекторией при его попытке лететь по прямой линии.
• Когда объект притягивается к массивному телу, он падает в направлении того тела. Однако, если он обладает достаточной тангенциальной скоростью он не будет падать на другое тело, а вместо этого будет продолжать бесконечно следовать изогнутой траектории, что вызывает это тело. Тогда говорят, что объект вращается вокруг небесного тела.

Ньютоновская модель пушечного ядра, иллюстрация того, как объекты «падают» по кривой

Для иллюстрации орбиты вокруг планеты является полезной Ньютоновская модель пушечного ядра. Это мысленный эксперимент, в котором некоторая пушка на вершине высокой горы способна выстреливать ядра горизонтально на любой выбранной скорости. Действие силы трения воздуха на пушечное ядро не учитывается (или считается, что гора настолько высока, что пушка находится выше земной атмосферы, что приводит к тому же).

Если пушка выстреливает ядро ​​с малой начальной скоростью, траектория ядра загибается вниз и ядро ​​попадает в землю (A). С увеличением скорости, ядро ​​будет падать на землю дальше от пушки (B), поскольку хоть и ядро ​​до сих пор падает в направлении земли, однако поверхность земли значительно искажается и становится дальше от него (см. первую точку, сверху). В техническом смысле все эти движения являются «орбитами» — они описывают часть эллиптической траектории вокруг центра масс, но орбиты прерываются попаданием в Землю.

Если пушечное ядро ​​выстрелили с достаточной скоростью, поверхность земли отклоняется от ядра настолько же, насколько падает ядро, поэтому ядро ​​никогда не достигнет поверхности земли. Оно будет двигаться непрерывной, или круговой орбитой как показано на примере (C). Для любой комбинации высоты над центром масс и массы планеты существует одна специфическая скорость выстреливания ядра. Она не зависит от массы ядра, если считать ее очень малой по отношению к массе Земли.

Если скорость выстреливания увеличивать дальше, образуется непрерывная эллиптическая орбита, обозначенная как (D). При выстреливании над поверхностью Земли, как показано, также образовываться не прерванные эллиптические орбиты и на меньшей скорости; они пройдут ближе всего к поверхности Земли в точке высшей половины орбиты и прямо напротив точки выстреливания, что вращается под орбитой.

При определенной горизонтальной скорости выстреливания, что называется второй космической скоростью, и зависящей от массы планеты, достигается открытая орбита (E), что имеет параболическую траекторию. На еще больших скоростях объект двигается по гиперболическим траекториям. В практическом смысле, эти оба типа траекторий означают, что объект «отрывается» от гравитации планеты, и «отправляется в свободный космос» и никогда не вернется.