Πώς βάζουμε κάτι σε τροχιά;



Από το 1957 μέχρι σήμερα η ανθρωπότητα έχει στείλει χιλιάδες αντικείμενα στο διάστημα. Δορυφόρους, διαστημόπλοια, μέχρι και ένα αυτοκίνητο! Περίπου 17.000 από αυτά είναι δορυφόροι σε τροχιά γύρω από τη Γη. Πώς όμως βάζουμε κάτι σε τροχιά;

Για αρχή πρέπει να ορίσουμε τι είναι τροχιά. Στην αστρονομία, τροχιά είναι η διαδρομή ενός αντικειμένου που η κίνηση του ελέγχεται από τη βαρύτητα ενός άλλου αντικειμένου. Η Σελήνη βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τη Γη, η Γη γύρω από τον Ήλιο, ο Ήλιος γύρω από το κέντρο του Γαλαξία κ.ο.κ. Μια τέτοια τροχιά μπορεί να είναι είτε κυκλική, είτε ελλειπτική. 1




Πιθανόν να έχεις ακούσει τη φράση «ελεύθερη πτώση» όταν αναφερόμαστε στις τροχιές. Ελεύθερη πτώση είναι η κίνηση ενός σώματος όταν η μόνη δύναμη που ενεργεί πάνω του είναι η βαρύτητα.

Ένα σώμα σε τροχιά βρίσκεται συνεχώς σε ελεύθερη πτώση. Δε φτάνει ποτέ το έδαφος γιατί ενώ πέφτει ταυτόχρονα κινείται παράλληλα με αυτό, αρκετά γρήγορα ώστε το έδαφος να απομακρύνεται από κάτω του λόγω καμπυλότητας.

Ας βάλουμε για παράδειγμα ένα σώμα πάνω από τον Βόρειο Πόλο.




Αν απλά το αφήσουμε, θα πέσει μάλλον σε κάποιο κεφάλι. Αν φανταστούμε ότι δεν υπάρχει βαρύτητα και το σπρώξουμε οριζόντια, θα κινηθεί ευθύγραμμα με σταθερή ταχύτητα.




Ο συνδυασμός της γραμμικής ταχύτητας και της βαρύτητας που έλκει το σώμα προς το κέντρο της Γης οδηγεί σε αυτή την καμπύλη τροχιά η οποία συνεχώς επαναλαμβάνεται.




Ωραία, για να βάλουμε όμως κάτι σε τροχιά, πρέπει πρώτα να αποφασίσουμε σε τι τροχιά θέλουμε να το βάλουμε. Έχουμε ξεχωρίσει τρεις: Η πρώτη, είναι η χαμηλή τροχιά περί της Γης, η οποία φτάνει τα 2000 χιλιόμετρα από την επιφάνειά της. Εκεί βρίσκονται οι περισσότεροι δορυφόροι, ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός και το τηλεσκόπιο Hubble.




Η δεύτερη, είναι η μεσαία τροχιά, από τα 2000 μέχρι τα 35786 χιλιόμετρα. Αν αυτός ο αριθμός σου φαίνεται περίεργα συγκεκριμένος, θα μάθεις στη συνέχεια γιατί έχει επιλεχθεί. Στην τροχιά αυτή βρίσκονται, μεταξύ άλλων, οι δορυφόροι GPS.




Και τέλος, μετά τα 35.786 χιλιόμετρα, υπάρχει η υψηλή τροχιά όπου βρίσκονται πολλοί δορυφόροι καιρού και τηλεπικοινωνιών. 2

Έστω λοιπόν πως θέλουμε να βάλουμε ένα μπαλάκι του τένις σε χαμηλή τροχιά. Ξεκινάμε πετώντας το προς τα πάνω. Το μπαλάκι φτάνει σε ένα μέγιστο ύψος, και σε μια οδυνηρή επίδειξη της Αρχής Διατήρησης Ενέργειας, επιστρέφει και μας χτυπάει στα μούτρα. Όχι ιδιαίτερα πετυχημένη προσπάθεια. Ας το πετάξουμε καλύτερα παράλληλα με το έδαφος. Το μπαλάκι τώρα θα κινηθεί σε μια παραβολή. Η κίνηση αυτή είναι πιο κοντά σε αυτό που θέλουμε να πετύχουμε.

Αν το ρίξουμε λίγο πιο δυνατά, θα φτάσει λίγο πιο μακριά. Θεωρητικά, αν το ρίχναμε αρκετά δυνατά το μπαλάκι θα έκανε τον γύρο του κόσμου και θα μας χτυπούσε στην πλάτη. Υπάρχουν όμως δύο πρακτικά προβλήματα. Πρώτον, αργά ή γρήγορα θα βρεθεί στον δρόμο του κάποιο εμπόδιο. Δεύτερον, η Γη έχει ατμόσφαιρα. Αν και ο αέρας είναι κάπως χρήσιμος για εμάς που αναπνέουμε, η αντίσταση που ασκεί στο μπαλάκι δυσχεραίνει το πείραμά μας.

Οπότε μια λύση θα ήταν να μετακινήσουμε το πείραμα προς τα πάνω. Πόσο πάνω; Το διάστημα ξεκινάει σε ύψος περίπου 100 χιλιομέτρων. Η απόσταση αυτή είναι μεγάλη, δε θα ήθελα με τίποτα να κοιτάξω κάτω από ένα κτίριο ύψους 100 χιλιομέτρων, αλλά δεν είναι απλησίαστα μεγάλη. Ορισμένα μέρη της Ελλάδας είναι πιο κοντά στο διάστημα παρά στη θάλασσα.

Το να φτάσουμε στο διάστημα δεν είναι πολύ δύσκολο. Το να μείνουμε στο διάστημα – εκεί είναι το πρόβλημα.

Φορτώνουμε λοιπόν το μπαλάκι σε έναν πύραυλο και ψάχνουμε από που θα το εκτοξεύσουμε. Αν και υποθέτω μπορούμε να το κάνουμε από οπουδήποτε, η αυλή του σπιτιού μας μάλλον δεν είναι ιδιαίτερα καλή ιδέα.

Έχεις αναρωτηθεί ποτέ γιατί οι βάσεις εκτόξευσης της ΝΑΣΑ και της ESA είναι εκεί που είναι και δεν είναι κάπου αλλού; Ο πρώτος λόγος έχει να κάνει με την περιστροφή της Γης. Μιας και η Γη περιστρέφεται από τα δυτικά προς τα ανατολικά, οτιδήποτε εκτοξεύεται προς τα ανατολικά παίρνει μια δωρεάν προώθηση, που στον ισημερινό φτάνει τα 1670 χιλιόμετρα την ώρα. Ο δεύτερος λόγος, έχει να κάνει με την ασφάλεια. Ανατολικά αυτών των περιοχών υπάρχει άπλετο νερό, ώστε κανένα… ανθρώπινο κεφάλι να μην κινδυνεύει από κάποιο αποτυχημένο διαστημικό πείραμα. Έτσι οι πύραυλοι συνήθως εκτοξεύονται προς τα ανατολικά και όσο πιο κοντά στον Ισημερινό γίνεται.




Έφτασε η ώρα της κρίσης – η ώρα της εκτόξευσης. Αφού εκτοξεύσουμε τον πύραυλο, λίγα λεπτά μετά του δίνουμε μια μικρή κλίση ώστε να αναπτύξει ταχύτητα παράλληλη με το έδαφος. Το ύψος που στοχεύουμε για σχετικά αμελητέα αντίσταση αέρα είναι περίπου τα 400 χιλιόμετρα. Η ακτίνα της τροχιάς επηρεάζει άμεσα την ταχύτητα της τροχιάς. Όσο πιο κοντά στη Γη βρίσκεται ο πύραυλος, τόσο πιο γρήγορα πρέπει να κινείται για να μη καταρρεύσει.




Στα 385.000 χιλιόμετρα, η Σελήνη κινείται με περίπου 1 km/s και εκτελεί μια πλήρη τροχιά κάθε περίπου ένα μήνα.

Στα 35.786 χιλιόμετρα ένας δορυφόρος κινείται με 3 km/s και εκτελεί μια περιφορά κάθε μία ημέρα. Η τροχιά αυτή ονομάζεται γεωσύγχρονη. Αν η κλίση της τροχιάς ως προς τον ισημερινό είναι 0 μοίρες, ονομάζεται γεωστατική και μπορείς να δεις τον δορυφόρο να παραμένει ακίνητος στον ουρανό, σαν παρκαρισμένος.




Στα 400 χιλιόμετρα, ο πύραυλος μας πρέπει να κινείται με περίπου 8 km/s, εκτελώντας μια περιφορά κάθε 90 λεπτά. Πόσο γρήγορα είναι αυτό; Αν βρισκόσουν στη μία άκρη ενός γηπέδου ποδοσφαίρου και έριχνες με ένα κοινό πιστόλι, στον χρόνο που θα χρειαζόταν ο πύραυλος για να διανύσει όλο το γήπεδο, η σφαίρα θα ταξίδευε περίπου τρία μέτρα.

Η εξάρτηση της ταχύτητας και της ακτίνας, εισάγει το εξής παράδοξο: Αν θέλουμε να αυξήσουμε την ταχύτητα του πυραύλου δεν μπορούμε απλά να τον επιταχύνουμε. Αυτό θα αύξανε την ακτίνα με αποτέλεσμα ο πύραυλος να μειώσει ταχύτητα! Αντ’ αυτού θα πρέπει να επιβραδύνουμε τον πύραυλο, να πατήσουμε δηλαδή λίγο φρένο, ώστε να μειώσουμε την ακτίνα της τροχιάς αυξάνοντας παράλληλα την ταχύτητά του.

Τέλος, αυτό που μένει είναι να διατηρήσουμε την τροχιά μας. Αν και δε χρειάζεται να καίμε συνεχώς καύσιμα για να κινούμαστε, κάποιες διορθώσεις είναι περιστασιακά απαραίτητες. Η βαρύτητα των υπόλοιπων ουράνιων σωμάτων, η ανομοιομορφία της Γης, η αντίσταση του ελάχιστου αέρα εκεί πάνω, είναι παράγοντες που επηρεάζουν την τροχιά μας. Επίσης, κάτι ακόμα που πρέπει να προσέχουμε, είναι τα διαστημικά σκουπίδια. Περισσότερα από 170 εκατομμύρια αντικείμενα μικρά και μεγάλα, ανενεργοί δορυφόροι και υπολείμματα διαστημικών αποστολών, βρίσκονται ακόμα σε τροχιά γύρω από τη Γη και μέχρι στιγμής δεν έχουμε καταλήξει σε κάποιον τρόπο για να τα κατεβάσουμε… Η πιθανότητα σύγκρουσης είναι ακόμα μικρή, αυτό όμως μπορεί πολύ εύκολα να αλλάξει αν συνεχίσουμε να θεωρούμε το διάστημα σκουπιδότοπο. 3

Παρ’ όλα αυτά, είμαι ενθουσιασμένος που τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον για τη διαστημική έχει αρχίσει να αναζωπυρώνεται. Η SpaceX μπορεί πλέον να προσγειώνει πυραύλους, ενώ στο παιχνίδι έχει μπει δυναμικά και η Κίνα. Μέσα στις επόμενες μία με δύο δεκαετίες όλα δείχνουν πως θα στείλουμε την πρώτη επανδρωμένη αποστολή στον Άρη. Η μέρα που ένα ανθρώπινο πόδι θα πατήσει το έδαφος του Κόκκινου Πλανήτη θα είναι η μέρα που ο Άνθρωπος θα γίνει το πρώτο διαπλανητικό είδος που γνωρίζουμε. Αυτή είναι μια μέρα που ανυπομονώ να ζήσω.


Αν σου αρέσει η Καθημερινή Φυσική μπορείς να εγγραφείς στο newsletter για να λαμβάνεις ειδοποίηση με κάθε νέα ανάρτηση. Το blog ανανεώνεται 1-2 φορές τον μήνα οπότε είναι ευκολότερο από το να επιστρέφεις συνέχεια για να ελέγχεις αν υπάρχει κάτι νέο. (Μην ξεχάσεις το email επιβεβαίωσης!)
Email:

Αν σου αρέσει πολύ η Καθημερινή Φυσική μπορείς να επισκεφθείς τη σελίδα Υποστήριξη για να μάθεις πώς μπορείς να βοηθήσεις.


Δείτε το σχετικό βίντεο


Περισσότερες πληροφορίες