A mesterséges műhold a technológia és a mérnöki tudomány csodája. Technológiai szempontból ehhez a bravúrhoz csak az a tudományos know-how hasonlítható, amely ahhoz szükséges, hogy egy műholdat Föld körüli pályára állítsanak és ott tartsanak. Gondoljunk csak bele, mit kell érteniük a tudósoknak ahhoz, hogy ez megtörténhessen: először is ott van a gravitáció, aztán a fizika átfogó ismerete, és persze maguknak a pályáknak a természete. Tehát valójában a Hogyan maradnak pályán a műholdak, az egy multidiszciplináris kérdés, amely nagyszámú technikai és tudományos ismeretet foglal magában.
Először is, ahhoz, hogy megértsük, hogyan kering egy műhold a Föld körül, fontos megérteni, mit jelent a pályára állás. Johann Kepler volt az első, aki pontosan leírta a bolygók pályájának matematikai alakját. Míg a bolygók Nap körüli és a Hold Föld körüli pályáját tökéletesen kör alakúnak gondolták, Kepler rábukkant az elliptikus pályák fogalmára. Ahhoz, hogy egy tárgy a Föld körüli pályán maradhasson, elegendő sebességgel kell rendelkeznie ahhoz, hogy vissza tudja követni az útját. Ez ugyanúgy igaz egy természetes műholdra, mint egy mesterségesre. Kepler felfedezéséből a tudósok arra is képesek voltak következtetni, hogy minél közelebb van egy műhold egy objektumhoz, annál erősebb a vonzóerő, ezért gyorsabban kell haladnia ahhoz, hogy pályán maradjon.
A következő lépés magának a gravitációnak a megértése. Minden objektum rendelkezik gravitációs mezővel, de csak a különösen nagy objektumok (pl. bolygók) esetében érezzük ezt az erőt. A Föld esetében a gravitációs vonzás számítások szerint 9,8 m/s2. Ez azonban egy speciális eset a bolygó felszínén. A Föld körül keringő objektumok számításakor a v=(GM/R)1/2 képlet érvényes, ahol v a műhold sebessége, G a gravitációs állandó, M a bolygó tömege, R pedig a Föld középpontjától mért távolság. Erre a képletre támaszkodva láthatjuk, hogy a pályára álláshoz szükséges sebesség egyenlő az objektum és a Föld középpontja közötti távolság négyzetgyökének és az adott távolságban a gravitáció okozta gyorsulás szorzatával. Ha tehát egy műholdat 500 km magasan a felszín felett körpályára szeretnénk állítani (amit a tudósok alacsony Föld körüli pályának, LEO-nak neveznének), akkor ((6,67 x 10-11 * 6,0 x 1024)/(6900000))1/2 vagy 7615,77 m/s sebességre lenne szüksége. Minél nagyobb a magasság, annál kisebb sebességre van szükség a pályán tartáshoz.
Az, hogy egy műhold képes-e fenntartani a pályáját, valójában két tényező egyensúlyán múlik: a sebességén (vagy azon a sebességen, amellyel egyenes vonalban haladna) és a műhold és a bolygó közötti gravitációs vonzáson, amely körül kering. Minél magasabb a pálya, annál kisebb sebességre van szükség. Minél közelebb van a pálya, annál gyorsabban kell mozognia ahhoz, hogy ne essen vissza a Földre.
A Universe Today számára számos cikket írtunk a műholdakról. Itt egy cikk a mesterséges műholdakról, és itt egy cikk a geoszinkron pályáról.
Ha még több információt szeretnél a műholdakról, nézd meg ezeket a cikkeket:
Orbitális objektumok
A geostacionárius pályán keringő műholdak listája
Asztronómia Cast egy epizódját is felvettük az űrsiklóról. Hallgassa meg itt, 127. epizód: Az amerikai űrsikló.
