Путешествия в космос

Бросьте вверх камень. Поднявшись на 15–20 метров, он на мгновение остановится, а затем начнет падать вниз. Бросьте камень сильнее, придайте ему большую скорость. Он взлетит выше. Чем с большей скоростью мы бросим камень, тем выше он взлетит. Выстрелом из пушки можно забросить снаряд на высоту нескольких — свыше 10 — километров. Начальная скорость снаряда при этом превосходит 1,5 километра в секунду. Так, может быть, можно придать телу такую скорость, что оно улетит за пределы атмосферы, в космическое пространство, и никогда уже не вернется на Землю? Может быть, можно преодолеть притяжение скоростью?

Да, можно.

У Ньютона в книге о притяжении есть такое рассуждение.

Предположим, что на очень высокой горе, такой высокой, что ее вершина находится уже вне атмосферы, мы установили гигантское артиллерийское орудие. Ствол его расположили строго параллельно поверхности земного шара и выстрелили. Описав дугу, ядро падает на Землю. Увеличиваем заряд, улучшаем качество пороха, тем или иным способом заставляем ядро после следующего выстрела двигаться с большей скоростью. Дуга, описанная ядром, становится более пологой. Ядро падает значительно дальше от подножия нашей легендарной горы.

Еще увеличиваем заряд и стреляем. Ядро летит по такой пологой траектории, что оно движется параллельно поверхности земного шара.

Ядро в этом случае уже не может упасть на Землю. И описав окружность вокруг нашей планеты, ядро возвращается к точке вылета.

Орудие можно тем временем снять. Ведь полет ядра вокруг земного шара займет свыше часа. И тогда ядро стремительно пронесется над вершиной горы и отправится в новый облет Земли. Упасть, если, как мы условились, ядро не испытывает никакого сопротивления воздуха, оно не сможет никогда.

Скорость ядра для этого должна быть близкой к 8 километрам в секунду.

А если мы еще увеличим скорость полета ядра?

Оно сначала полетит по дуге, более пологой, чем кривизна земной поверхности, и начнет удаляться от Земли. При этом скорость его под влиянием притяжения Земли будет уменьшаться. И наконец, повернувшись, оно начнет как бы падать обратно на Землю, но пролетит мимо нее и замкнет уже не круг, а эллипс. Ядро будет двигаться вокруг Земли точь-в-точь так же, как Земля движется вокруг Солнца: по эллипсу, в одном из фокусов которого будет наша планета.

Если мы еще увеличим начальную скорость ядра, эллипс получится более растянутый. Можно так «растянуть» этот эллипс, что ядро долетит до лунной орбиты или даже еще дальше.

Но до тех пор, пока его начальная скорость не превысит 11,2 километра в секунду, оно будет оставаться спутником Земли.

Ядро, получившее при выстреле скорость свыше 11,2 километра в секунду, навсегда улетит с Земли по параболической траектории. Если эллипс — замкнутая кривая, то парабола — кривая не замкнутая. Двигаясь по эллипсу, каким бы вытянутым он ни был, мы неизбежно будем систематически возвращаться к исходной точке. Двигаясь по параболе, в исходную точку мы никогда не вернемся: обе ее ветви уходят в бесконечность.

Но, покинув Землю с этой скоростью, ядро еще не сможет улететь в бесконечность. Могучее тяготение Солнца изогнет траекторию его полета, замкнет вокруг себя, наподобие траектории планеты. Ядро станет самостоятельной крохотной планеткой в семье планет солнечной системы.

Скорость около 8 километров в секунду (эта скорость зависит от высоты «горы», с которой стреляет наша пушка) называется круговой скоростью. Скорости от 8 до 11,2 километра в секунду являются эллиптическими; скорость 11,2 — параболическая; свыше 11,2 — скорости гиперболические.

Для того чтобы направить наше ядро за пределы солнечной системы, чтобы преодолеть солнечное притяжение, надо сообщить ему скорость свыше 16,7 километра в секунду.

Здесь же следует добавить, что приведенные значения этих скоростей справедливы только для Земли. Если бы мы жили на Марсе, круговая скорость была бы для нас достижима значительно более легко: она там составляет всего около 3,6 километра в секунду, а параболическая — лишь незначительно превосходит 5 километров в секунду. Зато отправить ядро в космический рейс с Юпитера было бы значительно труднее, чем с Земли: круговая скорость на этой планете равна 42,2 километра в секунду, а параболическая — даже 61,8 километра в секунду!