轨道速度:卫星如何运行?

问题

想办法把卫星发射到轨道上。

材料

• 字符串
• 表格
• 小金属垫圈(直径1/2英寸即可)
• 玻璃杯子

过程

1. 在绳子上系几个金属垫圈。
2. 用胶带或绳子的另一端打结，使垫圈悬挂在平面上方一英寸左右。(你可以把绳子松散的一端固定在抬高的橱柜底部，下面的台面作为你的实验区)。
3. 在挂垫圈的地方做记号，然后把杯子倒置，这样它就在你系绳子的地方的正下方。然后你可以让垫圈靠在玻璃的一侧。

4. 试着轻推垫圈，使它们从玻璃的侧面摆动。从轻敲开始，尝试发射的方向和力量，直到你可以让垫圈绕着玻璃“轨道”运行。你需要朝哪个方向推垫圈才能让它们不碰到玻璃?多大的力能让垫圈绕着玻璃旋转最长的时间?你能让你的洗衣机落在杯子的某个特定部位吗?

结果

你会发现，轻轻地向侧面推(相对于杯子)，你的洗衣机就会启动，这样它们就会绕着杯子旋转几圈。朝着远离杯子的方向轻拍垫圈不会让垫圈绕轨道运行，如果你用太大的力启动垫圈，它们通常会立即击中杯子。

为什么?

卫星需要从侧面发射，而不是直接远离地球才能成功绕轨道运行。艾萨克·牛顿提出了一个思想实验来解释为什么会这样;我们今天称之为牛顿的炮弹．让我们假设在一座很高的山上有一门大炮(这座山足够高，所以炮弹从大炮中发射出来不会遇到任何空气阻力)。如果你平行于地面发射炮弹，但速度不是很快(一个)，它只会飞一小段距离就会坠入海洋，因为重力会改变炮弹的飞行路径。如果你发射炮弹的速度更快(B)，它会降落在更远的地方。重力仍然使炮弹落向地球，但它的初始横向速度使它飞得更远一些。

如果你发射了那个炮弹非常快在什么叫轨道速度，它将继续沿着一个固定的圆形轨道绕月球运行(C)。在这种情况下，炮弹的速度足以使炮弹下落周围地球。重力一直作用在炮弹上，不断地改变它的路径，但炮弹的水平速度意味着重力永远无法把它拉回地球表面。

美国国家航空航天局发射轨道运载火箭用同样的方法把洗衣机送入一个短暂的轨道。虽然火箭最初垂直起飞以获得速度和高度，但一旦它超过大气中的空气阻力，它就会转向侧面并水平加速，直到达到轨道速度。

有些东西对火箭来说是可能的，但对你的绳上的洗衣机来说是不可能的逃逸速度．逃逸速度是某物完全摆脱大质量物体(如地球)引力所需的速度，这样它就永远不会掉下来(在上图中，直线(D)演示了以逃逸速度发射的炮弹。探索太阳系其他行星或小行星的太空探测器需要达到逃逸速度才能前往这些地方。月球上的宇航员必须达到月球的逃逸速度才能返回地球。