Umělá družice je zázrakem techniky a inženýrství. Jediné, co je s tímto výkonem z technologického hlediska srovnatelné, je vědecké know-how, které je zapotřebí k umístění a udržení družice na oběžné dráze kolem Země. Jen si uvědomte, čemu všemu musí vědci rozumět, aby se to podařilo: nejprve je to gravitace, pak komplexní znalosti fyziky a samozřejmě povaha samotných oběžných drah. Otázka, jak se družice udrží na oběžné dráze, je tedy skutečně multidisciplinární a zahrnuje velké množství technických a akademických znalostí.
Nejprve je pro pochopení toho, jak družice obíhá kolem Země, důležité porozumět tomu, co oběžná dráha obnáší. Johann Kepler jako první přesně popsal matematický tvar oběžných drah planet. Zatímco dráhy planet kolem Slunce a Měsíce kolem Země byly považovány za dokonale kruhové, Kepler narazil na koncept eliptických drah. Aby se těleso udrželo na oběžné dráze kolem Země, musí mít dostatečnou rychlost, aby mohlo svou dráhu opakovat. To platí jak pro přirozenou družici, tak pro umělou. Z Keplerova objevu byli vědci také schopni odvodit, že čím blíže je družice k objektu, tím silnější je přitažlivá síla, a proto se musí pohybovat rychleji, aby se udržela na oběžné dráze.
Dalším krokem je pochopení samotné gravitace. Všechny objekty mají gravitační pole, ale pouze v případě zvláště velkých objektů (tj. planet) je tato síla citelná. V případě Země je gravitační síla vypočtena na 9,8 m/s2. To je však specifický případ na povrchu planety. Při výpočtu objektů na oběžné dráze kolem Země platí vzorec v=(GM/R)1/2, kde v je rychlost družice, G je gravitační konstanta, M je hmotnost planety a R je vzdálenost od středu Země. Na základě tohoto vzorce jsme schopni zjistit, že rychlost potřebná pro oběžnou dráhu je rovna druhé odmocnině vzdálenosti objektu od středu Země krát gravitační zrychlení v této vzdálenosti. Pokud bychom tedy chtěli umístit družici na kruhovou oběžnou dráhu ve výšce 500 km nad povrchem (kterou vědci nazývají nízká oběžná dráha Země LEO), potřebovala by rychlost ((6,67 x 10-11 * 6,0 x 1024)/(6900000))1/2 neboli 7615,77 m/s. Čím větší je výška, tím menší rychlost je potřeba k udržení oběžné dráhy.
Schopnost družice udržet oběžnou dráhu tedy ve skutečnosti závisí na rovnováze mezi dvěma faktory: rychlostí (neboli rychlostí, kterou by se družice pohybovala po přímce) a gravitačním působením mezi družicí a planetou, kterou obíhá. Čím vyšší je oběžná dráha, tím menší je potřebná rychlost. Čím je dráha blíže, tím rychleji se musí pohybovat, aby zajistila, že nespadne zpět na Zemi.
Pro Vesmír dnes jsme napsali mnoho článků o družicích. Zde je článek o umělých družicích a zde je článek o geosynchronní dráze.
Pokud chcete získat další informace o družicích, podívejte se na tyto články:
Objekty na oběžné dráze
Seznam družic na geostacionární dráze
Natočili jsme také epizodu pořadu Astronomy Cast o raketoplánu. Poslechněte si zde: Episode 127: The US Space Shuttle
.
