Orbita - Polski Serwis Naukowy

Ten artykuł dotyczy ciał niebieskich. Zapoznaj się również z: inne znaczenia terminu orbita.

Dwa ciała orbitują wokół barycentrum układu.

Orbita – tor ciała (ciała niebieskiego lub sztucznego satelity) krążącego wokół innego ciała niebieskiego. W Układzie Słonecznym Ziemia, inne planety, planetoidy, komety i mniejsze ciała poruszają się po swoich orbitach wokół Słońca. Także księżyce krążą po orbitach wokół planet macierzystych.

Grawitacja (ciążenie powszechne) - jedno z czterech oddziaływań podstawowych, będące zjawiskiem naturalnym polegającym na tym, że wszystkie obiekty posiadające masę oddziałują na siebie wzajemnie przyciągając się.

Elementy orbitalne - parametry jednoznacznie określające orbitę danego ciała. Wyznacza się je, biorąc pod uwagę model masy dwupunktowej, podlegającej zasadom dynamiki Newtona i prawu powszechnego ciążenia. Ze względu na wiele możliwych sposobów parametryzacji ruchu ciała, istnieje kilka różnych sposobów określenia zbiorów elementów orbitalnych, z których każdy określa tę samą orbitę.

Orbity trzech z piętnastu ciał przyciągających się tylko siłą grawitacji daje się wyznaczyć z newtonowskich praw ruchu. Można w ten sposób opisać ruch większości planet Układu Słonecznego. W przypadku dużych mas położonych blisko siebie lub poruszających się ze znacznymi prędkościami konieczne jest zastosowanie ogólnej teorii względności. Przykładem może być tutaj Merkury, którego ruch orbitalny odbiega na tyle od praw newtonowskich, że jest to widoczne w pomiarach astronomicznych.

Merkury – najmniejsza i najbliższa Słońcu planeta Układu Słonecznego. Jako planeta wewnętrzna znajduje się dla ziemskiego obserwatora zawsze bardzo blisko Słońca, dlatego jest trudna do obserwacji. Mimo to należy do planet widocznych gołym okiem i była znana już w starożytności. Merkurego dojrzeć można jedynie tuż przed wschodem lub tuż po zachodzie Słońca.

Orbita geostacjonarna to orbita okołoziemska, która zapewnia krążącemu po niej satelicie zachowanie stałej pozycji nad wybranym punktem równika Ziemi. Orbita geostacjonarna jest orbitą kołową zawartą w płaszczyźnie równika. Przebiega na wysokości 35 786 km nad równikiem (42 160 km od środka Ziemi). Prędkość ciała na orbicie geostacjonarnej wynosi około 3,08 km/s, a czas okrążenia przez niego Ziemi jest równy 23 godziny 56 minut i 4 sekundy, czyli dokładnie tyle, ile trwa doba gwiazdowa.

Istnieją analityczne rozwiązania dla płaskiego, ograniczonego problemu trzech ciał (rozwiązanie Lagrange'a); dla większej ilości ciał ścisłe rozwiązanie analityczne jest niewyprowadzane.

Ciała poruszają się wokół wspólnego środka masy. Staje się to wyraźnie widoczne, gdy masy ciał są porównywalne jak to ma miejsce w przypadku np. gwiazd podwójnych. Gdy jedno ciało jest znacznie masywniejsze niż pozostałe (jak np. Słońce w Układzie Słonecznym), wówczas środek ciężkości układu znajduje się bardzo blisko środka najmasywniejszego składnika układu. Można wówczas w przybliżeniu opisywać ruch ciała o mniejszej masie tak, jakby krążyło ono wokół nieruchomego ciała masywniejszego.

Sztuczny satelita – satelita wykonany przez człowieka poruszający się po orbicie wokół ciała niebieskiego. Pierwszym sztucznym satelitą Ziemi został wystrzelony przez Związek Radziecki w 1957 Sputnik 1.

Orbita geosynchroniczna - orbita geocentryczna mająca równikową składową okresu obiegu (czyli składową prostopadłą do osi obrotu Ziemi) równą dobie gwiazdowej Ziemi. Szczególnym przypadkiem takiej orbity jest orbita geostacjonarna.

W przypadku dwóch ciał, orbita jest krzywą płaską (jedną z krzywych stożkowych). Orbita może być otwarta (wtedy ciało nie powraca) lub zamknięta (ciało powraca), co zależy od całkowitej energii (kinetycznej + potencjalnej) układu.

Orbity zamknięte: a) eliptyczna, b) kołowa oraz orbity otwarte: c) paraboliczna i d) hiperboliczna

Otwarte orbity mają kształt hiperboli (czasem bardzo bliskiej paraboli); ciała zbliżają się na chwilę, zakrzywiają swój tor w pobliżu siebie - najbardziej w punkcie największego zbliżenia; następnie oddalają się od siebie na zawsze. W ten sposób poruszają się niektóre komety, tzw. jednopojawieniowe.

Tor ruchu (trajektoria) w kinematyce - krzywa zakreślana w przestrzeni przez poruszające się ciało. Jeżeli wypadkowa siła działająca na ciało wynosi 0, wówczas z I zasady dynamiki Newtona wynika, że ciało porusza się po torze prostoliniowym. Jeżeli na poruszające się ciało działa niezrównoważona siła, której kierunek nie jest styczny do toru ruchu, wówczas tor ruchu jest krzywoliniowy.

Księżyc (, nieco więcej niż 1/4 średnicy Ziemi. Oznacza to, że objętość Księżyca wynosi około 1/50 objętości kuli ziemskiej. Przyspieszenie grawitacyjne na jego powierzchni jest blisko 6 razy słabsze, niż na Ziemi. Księżyc wykonuje pełny obieg wokół Ziemi w ciągu 27,3 dnia (tzw. miesiąc syderyczny), a okresowe zmiany w geometrii układu Ziemia-Księżyc-Słońce powodują występowanie powtarzających się w cyklu 29,5-dniowym (tzw. miesiąc synodyczny) faz Księżyca.

Zamknięte orbity mają kształt elipsy (w szczególnym przypadku okręgu). Punkt, w którym krążące ciało jest najbliżej okrążanego, nazywany jest perycentrum, a gdy jest najdalej – apocentrum. Punkty te mają również swoje własne nazwy ze względu na okrążany obiekt, np. dla gwiazd jest to peryastron i apoastron, a dla księżyców peryselenium i aposelenium. Nazwy takie istnieją również dla konkretnych ciał niebieskich, np. dla Ziemi jest to perygeum i apogeum, a dla Słońca peryhelium i aphelium. Nazwy takie tworzone są również dla planet (więcej w artykułach perycentrum i apocentrum).

Apocentrum – punkt na orbicie ciała niebieskiego okrążającego dany obiekt, znajdujący się w miejscu największego oddalenia ciała od tego obiektu. Nazwa punktu największego oddalenia w konkretnym przypadku zależy od nazwy ciała okrążanego.

Długość węzła wstępującego (Ω) - jeden z parametrów (elementów) orbity służących do opisu położenia orbity ciała w przestrzeni. Kąt pozycyjny liczony w wybranej płaszczyźnie (często w płaszczyźnie równika ciała centralnego, wokół którego krąży ciało opisywane) od pewnego ustalonego kierunku do punktu, w którym poruszające się po orbicie ciało przekracza tę płaszczyznę ze strony południowej na północną (węzeł wstępujący).

Krążące po zamkniętych orbitach ciała powtarzają swój ruch po elipsie w stałych odstępach czasu. Ten ruch jest opisany empirycznymi prawami Keplera, które mogą być wyprowadzone matematycznie z praw Newtona.

Elementy orbity

Osobny artykuł: Elementy orbitalne.

Ciało sztywne poruszające się w trójwymiarowej przestrzeni ma sześć stopni swobody (trzy dla pozycji i trzy dla prędkości). Jego orbita jest dokładnie określona przez siedem niezależnych parametrów. Zwykle używa się następujących parametrów:

Perycentrum – punkt na orbicie ciała niebieskiego okrążającego dany obiekt, znajdujący się w miejscu największego zbliżenia ciała do tego obiektu. Nazwa konkretnego perycentrum zależy od ciała okrążanego i pochodzi od greckiej, względnie łacińskiej, nazwy tego ciała.

Stała grawitacji (oznaczenie: G lub γ) – stała fizyczna służąca do opisu pola grawitacyjnego. Jako pierwszy wyznaczył ją Henry Cavendish. Obecnie używana wartość została opublikowana w 2002 roku przez Komitet Danych dla Nauki i Techniki (CODATA) i wynosi:

a

- półoś wielka (średnia odległość od centrum),

ε

- ekscentryczność (mimośród),

i

- inklinacja (nachylenie orbity),

ω

- argument szerokości perycentrum (lub

ω

- długość perycentrum dla i = 0° lub i = 180°),

Ω

- długość węzła wstępującego

t0

- moment przejścia ciała przez perycentrum (średnia anomalia w danej epoce $\frac{t_0}{n(t_0-T)}$ albo wartość $\epsilon=\omega^* + n(t_0-T)$ ),

n

- średni ruch dzienny.

adk

- inklinacja (przejście i ruch ciała niebieskiego) wartości ponadasteroidalnych

Równanie biegunowe elipsy ma postać:

Ogólna teoria względności (OTW) – popularna nazwa teorii grawitacji formułowanej przez Alberta Einsteina w latach 1907 – 1915, a opublikowanej w roku 1916.

Energia potencjalna – energia jaką ma układ ciał umieszczony w polu sił zachowawczych [1], wynikająca z rozmieszczenia tych ciał. Równa jest pracy, jaką trzeba wykonać, aby uzyskać daną konfigurację ciał, wychodząc od innego rozmieszczenia, dla którego umownie przyjmuje się jej wartość równą zero[2]. Konfigurację odniesienia dla danego układu fizycznego dobiera się zazwyczaj w ten sposób, aby układ miał w tej konfiguracji minimum energii potencjalnej. Podobnie jak pracę, energię potencjalną mierzy się w dżulach [J].

$r = \frac{a(1-\epsilon^2)}{1+\epsilon\cos(\phi)}$

skąd łatwo można obliczyć najmniejszą i największą długość promienia wodzącego:

odległość do perycentrum $r_p = a(1-\epsilon)$ ,

odległość do apocentrum $r_a = a(1+\epsilon)$ .

Okres obiegu po orbicie jest dany wzorem: $P = 2\pi {\sqrt{\frac{r^3}{G(M_1 + M_2)}}}$ ,

gdzie $P$ oznacza okres orbitalny, $r$ jest odległością pomiędzy ciałami, $M1$ i $M2$ są masami ciał, a $G$ jest stałą grawitacji.

Orbity okołoziemskie

Satelity i stacje kosmiczne stworzone przez człowieka zazwyczaj wynoszone są na orbity okołoziemskie (skrótowo używa się określenia "orbita ziemska", choć ściśle oznacza ono orbitę Ziemi wokół Słońca). Znajdują się one w różnej odległości od Ziemi; ze względu na wysokość nad powierzchnią Ziemi wyróżniane są:

Półoś wielka - jest to połowa większej osi elipsy. Elipsa ma dwie osie symetrii, a każda z nich składa się z dwóch półosi. Na dłuższej osi elipsy znajdują się dwa tak zwane ogniska. Analogiczne półoś mała definiowana jest jako połowa mniejszej osi elipsy.

Niska orbita okołoziemska (ang. low Earth orbit - LEO) jest orbitą dookoła Ziemi, przebiegającą między powierzchnią Ziemi a Pasami Van Allena, czyli na wysokości od 200 do 2000 kilometrów nad Ziemią. Nad nią znajdują się średnia orbita okołoziemska i orbita geostacjonarna.

niska orbita okołoziemska,

średnia orbita okołoziemska,

orbita geostacjonarna, będąca szczególnym przypadkiem orbity geosynchronicznej.

Zobacz też

Ruch wsteczny

Satelita

Sztuczny satelita.