Bestežinsko stanje

Astronauti u Međunarodnoj svemirskoj postaji u bestežinskom stanju.

Newtonova zamišljena topovska kugla: ako bi top na nekoj uzvisini ispalio kuglu s brzinom manjom od brzine kruženja (v_k = 7,9 km/s) ona bi imala putanju A ili B i pala bi na Zemlju; ako bi kugla išla brzinom kruženja ona bi imala kružnu putanju C i gibala bi se stalnom brzinom; ako bi kugla krenula brzinom većom od brzine kruženja ona bi putovala po elipsi D; ako bi kugla krenula brzinom većom od brzine oslobađanja (v_o = 11,2 km/s) ona bi putovala po hiperboli E i napustila bi Zemlju.

Bestežinsko stanje je stanje fizikalnog tijela na koje prividno ne djeluje sila teže (gravitacija). U takvu se stanju nalaze astronauti i svi predmeti u svemirskoj letjelici za vrijeme leta oko Zemlje takozvanom prvom kozmičkom brzinom ili 7,91 km/s. Zbog djelovanja centrifugalne sile poništava se djelovanje Zemljine gravitacije, pa u svemirskoj letjelici tijela i predmeti nemaju težinu, već lebde u prostoru bez obzira na svoju masu (na primjer zrnce prašine, kap vode, čovjek). Posljedica je takvih mehaničkih učinaka da, na primjer, tekućine ne istječu iz svojih spremnika (rezervoara), što uzrokuje znatne teškoće u vezi sa smještanjem raketnoga goriva i napajanjem raketnih sustava za ispravak (korekturu) staze (putanje). Dosadašnji višemjesečni letovi astronauta pokazali su da bestežinsko stanje u pogledu fizioloških i bioloških učinaka nije nepremostiva teškoća i da se sustavnim treningom živi organizmi mogu osposobiti da i duže vrijeme izdrže to fiziološki neprirodno stanje. Dosad je najduže u bestežinskom stanju neprekidno boravio ruski astronaut i liječnik Valerij Poljakov, koji je u orbitalnoj postaji Mir ostvario misiju u trajanju 437 dana, 17 sati i 58 minuta (od 8. siječnja 1994. do 20. ožujka 1995). Tijekom dvaju letova Poljakov je proveo u svemiru ukupno 678 dana, 16 sati i 58 minuta.

Kruženje satelita

Podrobniji članak o temi: Orbitalna brzina

Isaac Newton je shvatio da je kružno gibanje sastavljeno od dviju komponenti, od gibanja stalnom brzinom po pravcu i od jednoliko ubrzanog gibanja sa smjerom prema središtu kruženja. Kad ne bi bilo privlačenja, tijelo bi jednolikom brzinom v_k odmicalo po pravcu i za vrijeme t prešlo put v_k∙t. No istodobno, zbog gravitacijskog privlačenja, tijelo pada prema centru i u tom padu, u vrijeme t, prevali put gt²/2. Ako tijelo ipak ostaje na kružnici, mora biti da ono u vrijeme t za toliko odmakne od kružnice za koliko ujedno i padne na kružnicu! Taj proces prisutan je na svakom mjestu kružnice, na svakom ma kako malom odsječku puta. Ako bi brzina gibanja v bila manja od brzine kruženja v_k, to tijelo bi zbog slobodnog pada prišlo centru Zemlje više nego što bi se u jednolikom gibanju po pravcu od nje odmaknulo, pa bi tako prelazilo s kružnice većeg polumjera na kružnicu manjeg polumjera, te bi u spirali napokon palo na Zemlju.

Prisilimo li neko tijelo da se na vrtuljku giba brzinom v, tada ono u smjeru prema centru ima ubrzanje g (centripetalno ubrzanje). Između brzine gibanja v po kružnoj stazi polumjera r i centripetalne akceleracije g postoji veza:

$g={\frac {v^{2}}{r}}$

Giba li se tijelo po kružnici i pojačamo li centripetalnu silu, porast će i ubrzanje i brzina. No ako je sila privlačenja gravitacijska, a u centru gibanja nalazi se masa M, tada je centripetalna akceleracija posve određena i jednaka izrazu:

$g=G{\frac {M}{r^{2}}}\$

Tim uvjetom se za dani polumjer staze od svih mogućih centripetalnih ubrzanja odabire samo jedno ubrzanje (akceleracija), a njoj odgovara samo jedna, posve određena brzina. Izjednačavanjem gornjih dvaju izraza, dobivamo:

$v=v_{k}={\sqrt {\frac {GM}{r}}}$

Za Zemlju (M = 6 ∙10²⁴ kg) brzina kruženja ili orbitalna brzina na samoj površini (r = 6 378 km) iznosila bi 7 910 m/s ili 7,91 km/s. Ta se brzina naziva i prvom kozmičkom brzinom. Na svakoj drugoj razini iznad površine Zemlje brzina kruženja ima drugu vrijednost.