小校報

人造衛星為何不會掉下來?

作者: 羅渣 最後更新: 08/07/2021

無論足球踢得再高,它始終都會落回地面;熟了的蘋果會從樹上掉下來,而不是飛到空中……這些都是因為引力的關係。那為甚麼人造衛星可以一直繞着地球轉而不落下來呢?

引力是甚麼?

首先,讓我們來認識一下支配着宇宙萬物的引力。愛因斯坦的廣義相對論以時空的扭曲來理解引力。下圖表達的是一個結合時間及三維空間(長、闊、高)的四維時空,而四維時空理論是在 1908 年由愛因斯坦的老師赫爾曼.閔考斯基提出。

 

一張曲了的方格紙,兩點間的最短路徑也會被屈曲。

 

愛因斯坦的廣義相對論較牛頓的重力理論準確。不過,牛頓的理論已足夠應付發射衛星、航行到月球或火星等的航天任務,所以仍獲科學家採用。

扭曲影響「可大可小」

物體引起時空扭曲的程度及範圍,跟它的質量成正比。小質量物體(例如衛星、太空船等)會造成較小程度的扭曲。相反,大質量物體(例如恆星、行星等)則會造成較大程度的扭曲。

    


橢圓軌道大解構

當一個小質量的物體在大質量物體附近時,若它想免於因引力掉進大物體,就要以特定的速度,在特定的軌道上環繞對方。在 17 世紀初,天文學家刻卜勒提出了 3 條定律,當中第一條就指出這些軌道呈橢圓形。

(按一下放大圖片)

 

 除了行星、小行星等天然物件外, 不少人造物件都在太空以橢圓形軌道運行。當中最特別的,應屬這輛於 2018 年由一間私人公司發射上太空的電動車。

 

 

而發射數量最多、用途最廣泛的人造衛星,也是透過這樣的方式圍繞着地球運轉,幫助人類展開一次又一次的太空探索。

製作引力模擬裝置

我們還可以透過製作簡單的模擬裝置,來更清楚地了解引力和軌道。這個裝置的布代表時空,重物及波子則分別代表大質量物體(例如恆星、行星等)及小質量物體(例如衛星、太空船等)。

材料:闊口的水盆、具彈性的布、夾、重物、波子

建議布料

 

 



實驗一:引力模擬

 

 

實驗二:軌道模擬







 

不完美的模擬

實驗中的波子受到布的摩擦力阻礙,所以會不斷減速,以螺旋軌道掉向重物,無法維持橢圓形軌道。

 

本文由《兒童的科學》提供。

作者簡介
羅渣
羅渣

整日到處跑的學生王子,頭腦敏捷,充滿想像力,沒有甚麼學科能難到他。熱愛冒險,對任何事物都有好奇探究的心。好動得很,喜歡到處遊歷和結交新朋友。

關鍵字詞: 引力 |軌道 |太空 |人造衛星 : 相對論 |重力 |愛因斯坦 |牛頓 |軌道 |恆星 |行星 |地球 |太空船 |天文學