Kiertorata (astronomia): mitä se on ja miten se toimii
Kiertorata (astronomia): selkeä selitys, mitä kiertorata on ja miten painovoima ohjaa planeettojen, kuiden ja satelliittien liikkeitä — opi ellipsien ja satelliittien toimintaperiaatteet.
Orbit on myös sana silmäkuopalle.
Kiertorata on kappaleen kulkema reitti avaruudessa, kun se kiertää tähteä, planeettaa tai kuuta. Sitä voidaan käyttää myös verbinä. Esimerkiksi: "Maa kiertää Auringon ympäri." Sanalla "kiertää" on sama merkitys, mutta "pyörii" tarkoittaa esineen pyörimistä omalla akselillaan (esimerkiksi Maa pyörii oman akselinsa ympäri vuorokaudessa).
Monta vuotta sitten ihmiset luulivat, että aurinko kiertää maapalloa ympyrää. Joka aamu aurinko nousi idässä ja laski lännessä, joten geosentrinen malli tuntui loogiselta. Mutta nyt Kopernikuksen ja Galileo Galilein kaltaisten ihmisten ansiosta tiedämme, että Aurinko on aurinkokunnan keskus ja että maa kiertää sitä. Isaac Newton osoitti, että painovoima selittää planeettojen ja kuiden liikkeet: kappaleet seuraavat toisiaan kohti vetävää voimaa ja niiden oman liikkeen (inertian) yhteisvaikutusta. Koska satelliitti on avaruudessa oleva kohde, joka kiertää toista kohdetta, Maa on Auringon satelliitti, aivan kuten Kuu on Maan satelliitti! Auringon ympärillä kiertää paljon satelliitteja, kuten planeettoja, ja tuhansia asteroideja, komeettoja ja meteoroideja. Maalla on vain yksi luonnollinen satelliitti (Kuu), mutta Maata kiertää monia keinotekoisia satelliitteja.
Alun perin ajateltiin, että kaikkien taivaankappaleiden kiertoratojen pitäisi olla täydellisiä ympyröitä, koska ympyrä nähtiin "täydellisenä" muotona. Kun havaintoja tarkennettiin, havaittiin kuitenkin, että planeettojen radat eivät ole täsmälleen ympyröitä. Johannes Keplerin tutkimukset 1600-luvulla osoittivat, että planeettojen radat ovat ellipsin muotoisia: yksi ellipsin polttopisteistä on Aurinko. Kepler esitti kolme lakia, jotka kuvaavat planeettojen liikkeitä: (1) radat ovat ellipsin muotoisia, (2) viiva, joka yhdistää planeetan ja Auringon, pyyhkäisee yhtä suuret pinta-alat yhtä pitkinä aikoina, ja (3) planeetan kiertoaika korreloi radan suuruuden kanssa (pitkien ratojen planeetat kiertävät hitaammin).
Miten kiertorata toimii käytännössä
Kiertorata muodostuu, kun kappaleella on riittävä nopeus sivuttaissuunnassa ja sen liikettä vetää keskellä oleva massa. Tasapaino syntyy siten, että kappaleen pyrkimys liikkua suoraan eteenpäin (inertia) kompensoituu vetovoiman aiheuttamalla kaareutuksella. Radalle pääseminen edellyttää oikean suuruista nopeutta: liian hidas liike aiheuttaa putoamisen keskusmassaan, liian nopea voi johtaa siihen, että kappale karkaa pois (pääsee niin sanottuun pako-nopeuteen eli escape velocityyn).
Keskeisiä käsitteitä:
Keinotekoiset satelliitit ja radatyypit
Maata kiertävät keinotekoiset satelliitit on sijoitettu erilaisille radoille käyttötarkoituksen mukaan. Tavallisimpia radatyyppejä ovat:
Keinotekoiset satelliitit kohtaavat radallaan myös häiriöitä: ilmakehmävastus matalilla radoilla aiheuttaa radan madaltumista (orbital decay), Maan epätasaisuudet ja muiden kappaleiden vetovoimat muuttavat rataa ajan myötä, ja ihmisen aiheuttama avaruusromu voi uhata satelliittien turvallisuutta.
Miksi kiertoradat muuttuvat ja miksi ne ovat tärkeitä
Kiertoradat eivät ole täysin pysyviä: vuorovaikutukset muiden kappaleiden kanssa, ilmakehmävastus, valo- ja magneettivuorovaikutukset sekä törmäykset muuttavat niitä. Pitkällä aikavälillä esimerkiksi vuorovesivoimat voivat hidastaa tai muuttaa pyörimistä ja johtaa lukkiutumiseen (kuten Kuun tapauksessa, joka näyttää aina saman puolen Maalle).
Kiertoratojen ymmärtäminen on keskeistä tähtitieteessä, avaruustutkimuksessa ja arkipäivän tekniikassa (esim. satelliittipaikannus ja sääennusteet). Ne selittävät myös aurinkokunnan dynamiikkaa, planeettojen muodostumista ja mahdollisesti elinkelpoisten maailmojen esiintymistä muissa tähtijärjestelmissä.
Yhteenvetona: kiertorata on yksinkertaisimmillaan tasapaino liikkeen ja gravitaation välillä. Radat voivat olla lähes ympyröitä tai voimakkaasti elliptisiä, ja niiden muotoa ja sijaintia kuvaavat tietyt peruselementit. Nykyinen tutkimus ja satelliittiteknologia antavat meille tarkat työkalut paitsi tarkkailla kiertoratoja myös suunnitella ja ylläpitää niitä tavoitteellisesti.
Planeettojen kiertoradat
Kaksi massaeroltaan hieman erilaista kappaletta kiertää yhteistä kartiokeskusta. Tämä on kuin Pluto-Charon-järjestelmä.
Kiertoaika
Kiertorata-aika on aika, jonka yksi kohde - eli satelliitti - kiertää toista kohdetta. Esimerkiksi maapallon kiertoaika on yksi vuosi: 365,25 päivää. (Ylimääräinen ".25" on syy siihen, että meillä on karkauspäivä kerran neljässä vuodessa).
Kuu kiertää Maata 27 päivässä (29,53 päivää Maasta katsottuna) ja kiertää myös oman akselinsa ympäri. Tämän vuoksi vain toinen puoli on aina Maata kohti ja "kuun pimeä puoli" on poispäin (sitä kutsutaan pimeäksi, koska emme näe sitä, vaikka kuun kaikki puolet saavat yhtä paljon valoa). Yksi kuuvuosi ja yksi kuupäivä kestävät yhtä kauan.
Elliptiset ja eksentriset radat
Johannes Kepler (elänyt 1571-1630) kirjoitti matemaattiset "planeettojen liikkeen lait", jotka antoivat hyvän käsityksen planeettojen liikkeistä, koska hän havaitsi, että aurinkokuntamme planeettojen kiertoradat eivät oikeastaan ole ympyröitä vaan ellipsejä (muodoltaan kuin "litistetty ympyrä"). Siksi kiertoratoja kuvataan elliptisiksi. Mitä elliptisempi rata on, sitä eksentrisempi se on. Tätä kutsutaan kiertoradan eksentrisyydeksi.
Isaac Newton (1642-1727) käytti omia ajatuksiaan painovoimasta osoittaakseen, miksi Keplerin lait toimivat niin kuin ne toimivat. Joseph-Louis Lagrange edisti edelleen ratamekaniikan tutkimusta käyttämällä Newtonin teoriaa ennustamaan häiriötekijöitä, jotka muuttavat ratojen muotoja.
Kysymyksiä ja vastauksia
Q: Mikä on kiertorata?
V: Kiertorata on kappaleen kulkema reitti avaruudessa, kun se kiertää tähden, planeetan tai kuun.
K: Miten Auringon kiertorataa tarkasteltiin monta vuotta sitten?
V: Monta vuotta sitten ihmiset ajattelivat, että Aurinko kiertää ympyrää maapallon ympäri. Joka aamu aurinko nousi idässä ja laski lännessä. Tuntui vain järkevältä, että se kiertää maapalloa.
K: Kuka keksi, että painovoima ohjaa kiertoratoja?
V: Isaac Newton havaitsi, että painovoima ohjaa planeettojen ja kuiden kiertoratoja.
K: Onko Maa jonkin muun kohteen satelliitti?
V: Kyllä, Maa on Auringon satelliitti, aivan kuten Kuu on Maan satelliitti!
K: Kuinka monta satelliittia Aurinko kiertää sitä?
V: Auringon ympärillä kiertää paljon satelliitteja, kuten planeettoja, ja tuhansia asteroideja, komeettoja ja meteoroideja.
K: Mitä Kopernikus ja Galilei ajattelivat kiertoradoista? V: Kun ihmiset alkoivat ensimmäisen kerran ajatella kiertoratoja, he ajattelivat, että kaikkien kiertoratojen oli oltava täydellisiä ympyröitä, ja he ajattelivat, että ympyrä oli "täydellinen" muoto. Myös Kopernikus ja Galilei uskoivat tähän.
K: Ovatko kaikki planeettojen radat täydellisiä ympyröitä? V: Ei, kun ihmiset alkoivat tutkia planeettojen liikkeitä huolellisesti, he huomasivat, että kaikki planeettojen kiertoradat eivät olleet täydellisiä ympyröitä; jotkut olivat lähes täydellisiä ympyröitä, kun taas toiset olivat enemmän pitkulaisia (munan muotoisia).
Etsiä