Czy obiekt wystrzelony z ziemi spadnie na słońce?

Czy obiekt wystrzelony z ziemi spadnie na słońce?

Jeśli obiekt zostanie wystrzelony z prędkością rakietową lub w inny sposób z prędkością 107 000 km / h, w przeciwnym kierunku do naszej orbity wokół Słońca, będzie on poruszał się z prędkością 0 km / h względem Słońca. Księżyc nie znajduje się wystarczająco blisko obiektu, aby mieć znaczną siłę do celów tego pytania.

Czy ten obiekt zacznie przyśpieszać w kierunku Słońca, czy w jakiś sposób spadnie na inną stabilną orbitę?

Czy zamiast tego może zostać uwięziony w punkcie L4 Ziemia-Słońce Lagrange?

Załóżmy, że statek kosmiczny jest natychmiast przyspieszany na powierzchni Ziemi (bez względu na atmosferę dla uproszczenia). Rozważymy to na podstawie układu odniesienia Słońca; innymi słowy, Słońce jest nieruchome, a Ziemia się wokół niego porusza.

Statek kosmiczny jest przyspieszany do prędkości dokładnie równej i przeciwnej do prędkości orbitalnej Ziemi wokół Słońca, dzięki czemu jest on całkowicie nieruchomy w jednej chwili po przyspieszeniu.

Co się potem dzieje? Cóż, możemy rozważyć siły działające na statek kosmiczny:

• Grawitacja Ziemi powoduje siłę skierowaną w kierunku Ziemi.
• Grawitacja Słońca powoduje siłę skierowaną w stronę Słońca.

Stacjonarny statek kosmiczny będzie zatem przyspieszał w kierunku Ziemi i Słońca. Ponieważ Ziemia szybko porusza się po swojej orbicie, siła grawitacji nie wystarcza, aby wciągnąć sondę z powrotem na orbitę; jednak popchnie statek kosmiczny na orbitę eliptyczną.

Aby zademonstrować sytuację, stworzyłem małą symulację, którą można wyświetlić w przeglądarce na komputerze. Kliknij tutaj, aby wypróbować symulację. (Możesz kliknąć „Wyświetl ten program”, aby sprawdzić kod i odświeżyć stronę, aby ponownie uruchomić symulację.)

Symulacja jest fizycznie dokładna (ignorując wpływ innych planet), ale kule zostały powiększone w celu łatwej interpretacji. Ziemia jest reprezentowana jako zielona, ​​podczas gdy Słońce jest pomarańczowe, a sonda jest biała. Zauważ, że podczas gdy kule reprezentujące statek kosmiczny i Słońce przecinają się, odległość między dwoma fizycznymi obiektami jest zawsze większa niż 3,35 promienia słonecznego.

Ten zrzut ekranu pokazuje, w jaki sposób statek kosmiczny został wciągnięty na orbitę eliptyczną przez Ziemię:

Wreszcie możemy rozważyć bardziej realistyczny scenariusz, w którym statek kosmiczny jest przyspieszany, aż osiągnie zerową prędkość (ponownie w ramce odniesienia Słońca) w pewnej odległości od Ziemi. Gdy tylko osiągnie zerową prędkość, silnik zostaje zatrzymany.

W tym przypadku wynik jest zasadniczo taki sam: nadal istnieją siły wywierane przez Ziemię i Słońce, więc powstanie orbita eliptyczna. Im dalej rakieta znajduje się od Ziemi, gdy osiąga zerową prędkość, tym bardziej eliptyczna jest orbita. Jeśli Ziemia jest tak daleko, że jej grawitacja jest znikoma, statek kosmiczny spadnie bezpośrednio w kierunku Słońca.

Wystrzelenie, które opisałeś, jest podobne do wystrzelenia sondy słonecznej Parker wystrzelonej w sierpniu 2018 r. Z prędkością 12 km / s w kierunku przeciwnym do prędkości orbity Ziemi, więc spadła w kierunku Słońca (a nie w kierunku ) na orbitę eliptyczną. Jego prędkość przy najbliższym podejściu ma być większa niż 200 km / s

Jeśli obiekt zostanie przyspieszony od Ziemi na tyle szybko, że nakręci nie posiadając prędkości orbitalnej wokół Słońca, wówczas spadnie promieniowo do Słońca. Jest to prędkość orbitalna, która utrzymuje obiekt (lub samą Ziemię) spadający wokół Słońca, a nie do niego. Przy zerowej prędkości orbity po prostu spada prosto i nie może zrobić nic innego (uwięzienie w punkcie L4 wymaga ruchu orbity prawie takiego samego jak na Ziemi).

Obiekt zostanie przyciągnięty przez przyciąganie grawitacyjne Słońca, jeśli Księżyc i inne planety w Układzie Słonecznym są wystarczająco daleko, aby nie zmieniały znacząco prędkości ani kierunku obiektu.