วงโคจรคืออะไร
******************
Basics of spaceflight (4/6)
บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของซีรีส์บทความ “Basics of spaceflight” เพื่อจะอธิบายหลักการพื้นฐานในการส่งยานอวกาศไปเยือนวัตถุอื่น โดย บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของบทความที่มีอยู่ด้วยกัน 6 ตอน ได้แก่
1. เราเดินทางในอวกาศได้อย่างไร[1]
2. จะส่งจรวดออกไปนอกโลก ต้องใช้อะไรบ้าง?[2]
3. ปราการด่านแรกของการไปอวกาศ: การออกไปจากชั้นบรรยากาศของโลก[3]
4. วงโคจรคืออะไร
5. Hohmann transfer orbit
6. เครื่องยนต์จรวด และ Ion engine
******************
วงโคจรคืออะไร
ปรากฏการณ์อย่างหนึ่งของการเดินทางในอวกาศ ที่แตกต่างกับสามัญสำนึกของการเดินทางบนโลกโดยสิ้นเชิงเลย ก็คือ ในอวกาศนั้นมีแรงเสียดทานน้อยมาก จนถึงไม่มีเลย นั่นหมายความว่าวัตถุใดที่มีการเคลื่อนที่เช่นใด ก็จะเคลื่อนที่เช่นนั้นไปตลอด
นั่นหมายความว่า หากเราสามารถทำให้ยานอวกาศสักลำหนึ่ง เคลื่อนที่เป็นวงกลมไปรอบๆ โลกได้ ยานอวกาศนั้นก็จะ “โคจร” เป็นวงกลมไปรอบๆ โลกเช่นนั้นตลอดไป
ว่าแต่ว่า “วงโคจร” คืออะไร?
หลายๆ คนมักจะเข้าใจกันผิดๆ ว่าในอวกาศนั้นไม่มีแรงโน้มถ่วง แท้จริงแล้วในอวกาศก็มีแรงโน้มถ่วงไม่ต่างอะไรกับบนโลกของเรา (แต่แรงโน้มถ่วงอาจจะไม่เท่ากันกับบนพื้นโลก) หมายความว่ายานอวกาศและนักบินอวกาศนั้นไม่ได้ “ลอย” อยู่ แต่กำลัง “ตกลงสู่พื้นโลก” อยู่ สิ่งที่ทำให้นักบินอวกาศสามารถลอยอยู่ในสถานีอวกาศได้โดยปราศจากแรงโน้มถ่วงนั้นไม่ได้เป็นเพราะว่าในอวกาศไม่มีแรงโน้มถ่วง แต่เป็นเพราะว่า “พื้น” ของสถานีอวกาศกำลัง “ตกลงภายใต้แรงโน้มถ่วง” ในอัตราเดียวกันกับนักบินอวกาศต่างหาก ซึ่งเราสามารถสัมผัสกับ “สภาพไร้น้ำหนัก” เช่นเดียวกันนี้ได้บนพื้นโลกของเรา ทุกครั้งที่เบาะที่นั่งบนรถใต้เรานั้นกำลังตกลงภายใต้แรงโน้มถ่วงเมื่อรถเรากำลังกระโดดลงมาจากเนิน หรือเมื่อที่นั่งภายใต้เครื่องเล่นในสวนสนุกของเรากำลังตกลงภายใต้แรงโน้มถ่วงในอัตราเดียวกับเรา เราก็จะสามารถสัมผัสกับ “สภาวะไร้น้ำหนัก” ได้ชั่วครู่หนึ่ง
วัตถุทุกอย่างที่อยู่ใกล้ๆ โลกนั้นกำลังตกอยู่ภายใต้แรงโน้มถ่วงของโลกของเรา หากเราโยนก้อนหินสักก้อนหนึ่งไปข้างหน้า ก้อนหินนี้จะตกลงภายใต้แรงโน้มถ่วง และเส้นทางของก้อนหินจะค่อยๆ ย้อยลงจนตกลงสู่พื้นในที่สุด อย่างไรก็ตาม หากเราโยนก้อนหินด้วยความเร็วที่พอเหมาะพอดี อัตราการย้อยลงของก้อนหินนั้นจะโค้งตามกับส่วนโค้งของพื้นผิวโลกพอดี เราเรียกอัตราเร็วนี้ว่า “อัตราเร็วโคจร” ซึ่งขึ้นอยู่กับระยะห่างจากศูนย์กลางของโลก สำหรับบนพื้นผิวโลกนั้น เราจะต้องขว้างก้อนหินให้เร็วถึง 7.9 กม./วินาที ก้อนหินจึงจะสามารถโคจรไปรอบๆ โลกได้ (หากไม่คำนึงถึงแรงต้านของอากาศ)
ในลักษณะเดียวกัน สถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) ก็กำลังตกลงในอัตราที่สอดคล้องกับผิวโค้งของโลกพอดี สถานีอวกาศจึงอยู่ใน “วงโคจร” ด้วยอัตราเร็วโคจรที่ 7.66 กม./วินาที และเคลื่อนที่เป็นวงกลมที่มีศูนย์กลางตรงกับศูนย์กลางของโลก พอดิบพอดี
หากเราทำให้สถานีอวกาศนานาชาติเคลื่อนที่ช้าลงกว่านี้ เราจะพบว่าสถานีอวกาศนานาชาติจะค่อยๆ ตกลง จนเสียดสีกับชั้นบรรยากาศมากขึ้น และโหม่งลงกับพื้นโลกในที่สุด
ในทางตรงกันข้าม หากเราเร่งความเร็วของสถานีอวกาศนานาชาติให้สูงมากกว่านี้ สถานีอวกาศจะพุ่งตรงไปมากกว่าส่วนโค้งของโลก ก่อนที่จะค่อยๆ เลี้ยวกลับเข้ามา กลายเป็นวงรีที่มีจุดโฟกัสจุดหนึ่งอยู่ที่ใจกลางของโลก และมีจุดที่ใกล้โลกที่สุดของวงโคจร (เรียกว่า perigee) และจุดที่ไกลที่สุดของวงโคจร (เรียกว่า apogee) และหากไม่มีแรงเสียดทานใดๆ เลย วงโคจรที่เป็นวงรีนี้ พร้อมทั้งระยะ perigee และ apogee ก็จะคงที่เช่นนี้ไปตลอดกาล
และหากเราสามารถเร่งความเร็วมากขึ้นเรื่อยๆ เราก็จะพบว่าวงรีนั้นจะขยายขนาดมากขึ้นเรื่อยๆ จนในที่สุดก็ไม่เป็นวงรีอีกต่อไป จนกลายสภาพเป็นรูปร่างที่เรียกว่า ไฮเพอร์โบลา วัตถุที่อยู่ในวงโคจรแบบไฮเพอร์โบลานี้ จะโฉบเข้ามาใกล้ศูนย์กลางมวลแค่ครั้งเดียว จากนั้นจะพุ่งออกไป และไม่กลับมาอีกเลย
ปรากฏว่า วงโคจรของวัตถุทั้งปวงในเอกภพนั้น มีอยู่แค่สามแบบ นั่นก็คือ วงกลม (ซึ่งเป็นกรณีพิเศษของวงรี) วงรี และไฮเพอร์โบลา ดวงจันทร์นั้นโคจรเป็นวงรีรอบๆ โลก โลกโคจรเป็นวงรีรอบๆ ดวงอาทิตย์ ดาวหางโคจรเป็นวงรีรอบๆ ระบบสุริยะ ในขณะที่ดาวหางที่โคจรเป็นไฮเพอร์โบลานั้นจะโฉบเข้ามาระบบสุริยะชั้นใน และจะไม่กลับมาอีกเลย
เนื่องจากในอวกาศนั้นไม่มีแรงเสียดทาน ทันทีที่วัตถุมีการเคลื่อนที่อยู่ในอวกาศ วัตถุนั้นก็จะมีการเคลื่อนที่ต่อไปเรื่อยๆ และไม่มีการสูญเสียพลังงาน นั่นหมายความว่า วัตถุที่ลอยอยู่อย่างอิสระภายใต้แรงโน้มถ่วงทุกอัน กำลังอยู่ใน “วงโคจร” ของมันเอง หากเราพบวัตถุที่ลอยอยู่ ณ ตำแหน่งใดๆ ก็ตาม ความเร็วและทิศทางกลางเคลื่อนของวัตถุจะเป็นตัวกำหนด “วงโคจร” หรือเส้นทางการเดินทางของวัตถุเอาไว้ทั้งหมด และหากเราต้องการจะทราบวงโคจรของวัตถุ เราเพียงต้องการทราบแค่ตำแหน่ง และความเร็ว (อัตราเร็ว และทิศทางในการเคลื่อนที่) ของวัตถุในขณะหนึ่งๆ เราก็จะทราบวงโคจรทั้งหมดของมันได้ว่าวัตถุนั้นเคยมาจากที่ใด และจะเคลื่อนที่ไปบริเวณใดในอนาคต
อ้างอิง/อ่านเพิ่มเติม:
[1] https://www.facebook.com/matiponblog/photos/a.255101608033386/1551440618399472
[2] https://www.facebook.com/matiponblog/photos/a.255101608033386/1556354984574702
[3] https://www.facebook.com/matiponblog/photos/a.255101608033386/1561270760749791/
สถานีอวกาศนานาชาติ 在 สถานีอวกาศนานาชาติ (อังกฤษ: International Space Station; ISS) 的必吃
สถานีอวกาศนานาชาติ เป็นห้องทดลองและสถานอำนวยความสะดวกสำหรับงานค้นคว้าวิจัยในระดับนานาชาติซึ่งถูกประกอบขึ้นในวงโคจรต่ำของโลก การก่อสร้างเริ่มต้นขึ้นตั้งแต่ปี ... ... <看更多>