Comme vous le savez certainement déjà, la Terre est entourée de divers satellites planant à des kilomètres au-dessus de nos têtes. Notre propre lune reste également au-dessus de la planète à toute heure. Mais pourquoi ces objets ne s’écroulent-ils pas sur la surface de la planète? Cependant, d’autres objets dans le ciel, comme un avion finissent souvent par s’écraser s’ils sont à court d’énergie. La raison pour laquelle les satellites artificiels et la lune ne s’écroulent pas est parce qu’ils ont atteint la vitesse orbitale. Vous vous demandez probablement « c’est quoi une vitesse orbitale ? » Pour mieux vous éclairer sur tout cela, nous vous invitons à poursuivre la lecture de cet article jusqu’à la fin.
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Qu’est-ce qu’une orbite ?
Une orbite est un chemin régulier et répétitif qu’un objet dans l’espace emprunte autour d’un autre. Un objet en orbite s’appelle un satellite. Le satellite peut être naturel, comme le cas de la Terre ou la Lune. De nombreuses planètes ont des lunes qui les orbitent. Un satellite peut également être fabriqué par l’homme, comme la Station spatiale internationale.
Les planètes, comètes, astéroïdes et autres objets du système solaire gravitent autour du soleil. La plupart des objets en orbite autour du soleil se déplacent le long ou près d’une surface plane imaginaire. Cette surface imaginaire a pour nom le plan écliptique.
Quelle forme possède une orbite ?
Les orbites se présentent sous différentes formes. Toutes les orbites sont elliptiques, ce qui signifie qu’elles sont ellipse, semblable à un ovale. Pour les planètes, les orbites sont presque circulaires. Les orbites des comètes ont une forme différente. Ils sont très excentriques ou «écrasés». Ils ressemblent plus à de fines ellipses qu’à des cercles.
Les satellites en orbite autour de la Terre, y compris la Lune, ne restent pas toujours à la même distance de la Terre. Parfois, ils sont plus proches et à d’autres moments, ils sont plus éloignés. Le point le plus proche d’un satellite sur Terre s’appelle son périgée. Le point le plus éloigné est l‘apogée. Pour les planètes, le point de leur orbite le plus proche du soleil est le périhélie. Le point le plus éloigné est appelé aphélion. La Terre atteint son aphélie pendant l’été dans l’hémisphère nord. Le temps qu’il faut à un satellite pour faire une orbite complète s’appelle sa période. Par exemple, la Terre a une période orbitale d’un an. L’inclinaison est l’angle que fait le plan orbital par rapport à l’équateur terrestre.
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Comment les objets restent-ils en orbite ?
Un objet en mouvement restera en mouvement à moins que quelque chose ne le pousse ou ne tire dessus. Cette déclaration s’appelle la première loi du mouvement de Newton. Sans gravité, un satellite en orbite autour de la Terre irait dans l’espace le long d’une ligne droite. Avec la gravité, il est ramené vers la Terre. Un tir à la corde constant a lieu entre la tendance du satellite à se déplacer en ligne droite, ou élan ; et le tir à la corde tirant le satellite vers l’arrière.
L’élan d’un objet et la force de gravité doivent être équilibrés pour qu’une orbite se produise. Si l’élan vers l’avant d’un objet est trop important, il passera rapidement et ne passera pas en orbite. Si l’élan est trop petit, l’objet s’abaissera et s’écrasera. Lorsque ces forces sont équilibrées, l’objet tombe toujours vers la planète ; mais comme il se déplace latéralement assez rapidement, il ne touche jamais la planète. La vitesse orbitale est la vitesse nécessaire pour rester en orbite. À une altitude de 242 kilomètres au-dessus de la Terre, la vitesse orbitale est d’environ 17 000 milles à l’heure. Les satellites qui ont des orbites plus élevées ont des vitesses orbitales plus lentes.
Où les satellites gravitent-ils autour de la Terre ?
La Station spatiale internationale est en orbite terrestre basse, ou LEO. LEO est le premier 100 à 200 miles (161 à 322 km) d’espace. LEO est l’orbite la plus facile d’accès et de maintien. Une orbite complète dans LEO prend environ 90 minutes.
Les satellites qui restent au-dessus d’un emplacement sur Terre sont en orbite terrestre géosynchrone, ou GEO. Ces satellites gravitent à environ 37 015 km au-dessus de l’équateur et effectuent une révolution autour de la Terre précisément toutes les 24 heures. Les satellites se dirigeant vers GEO se dirigent d’abord vers une orbite elliptique avec une apogée d’environ 37 015 km. Tirer les moteurs de fusée à l’apogée fait alors le tour de l’orbite. Les orbites géosynchrones sont également appelées géostationnaires.
Tout satellite dont la trajectoire orbitale passe au-dessus ou à proximité des pôles maintient une orbite polaire. Les orbites polaires sont généralement des orbites terrestres basses. Finalement, toute la surface de la Terre passe sous un satellite en orbite polaire. Lorsqu’un satellite est en orbite autour de la Terre, le chemin qu’il prend fait un angle avec l’équateur. Cet angle s’appelle l’inclinaison. Un satellite qui orbite parallèlement à l’équateur a une inclinaison orbitale de zéro degré. Un satellite en orbite polaire a une inclinaison de 90 degrés.
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Qu’est-ce que la vitesse orbitale ?
La vitesse orbitale est la vitesse requise pour atteindre l’orbite autour d’un corps céleste, comme une planète ou une étoile. Cela nécessite de voyager à une vitesse soutenue qui :
- S’aligne sur la vitesse de rotation du corps céleste ;
- Est suffisamment rapide pour contrer la force de gravité tirant l’objet en orbite vers la surface du corps.
Un avion peut voyager dans le ciel mais il ne voyage pas à une vitesse suffisamment rapide pour maintenir une orbite autour de la Terre. Cela signifie qu’une fois les moteurs de l’avion éteints, l’avion ralentira et chutera vers la terre, via la force de gravité. En revanche, un satellite (tel que celui qui alimente le GPS de votre téléphone ou celui qui transmet un signal DirecTV) n’a pas besoin de dépenser de carburant pour maintenir son orbite autour de la Terre. En effet, ces satellites voyagent à une vitesse qui dépasse la force de gravité.
Notez, cependant, que les vitesses orbitales varient en fonction de la distance de l’objet en rotation du corps céleste sur lequel il orbite. En règle générale, les objets peuvent entrer en orbite à des vitesses inférieures lorsqu’ils s’éloignent de la surface d’une planète ou d’une étoile. Lorsqu’ils sont plus proches de la surface, il faut une plus grande vitesse pour contrer la force de gravité. En tant que tel, une autre raison pour laquelle un avion n’atteint pas l’orbite est qu’il vole beaucoup plus près de la surface de la Terre qu’un satellite de communication.
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Quels facteurs affectent la vitesse orbitale ?
La vitesse orbitale est rendue possible par la surface incurvée d’une planète, d’une étoile ou d’un autre corps céleste. Un objet en orbite a tendance à se déplacer en ligne droite, tandis que le corps en orbite se courbe. En tant que telle, la courbure constante du corps en orbite empêche l’objet en orbite de tomber jusqu’à la surface ; à condition que l’objet en orbite maintienne la vitesse appropriée.
Dans l’espace, il est plus facile de maintenir une vitesse constante que sur Terre, grâce au principe d’inertie. L’une des lois d’inertie de Sir Isaac Newton stipule qu’un objet en mouvement a tendance à rester en mouvement à moins d’être agi par une force extérieure. Dans l’atmosphère terrestre, un objet volant rencontre de nombreuses molécules d’air, qui ralentissent cumulativement la vitesse de cet objet lorsqu’il vole dans le ciel. Au fur et à mesure que vous voyagez au-delà de l’atmosphère terrestre vers des altitudes plus élevées, l’air devient plus vide, avec moins de molécules pour contrecarrer la vitesse vers l’avant d’un satellite en orbite.
Comment la vitesse orbitale s’applique-t-elle aux voyages dans l’espace ?
Les scientifiques des fusées utilisent le principe de la vitesse orbitale pour tracer le cours du vol spatial. Cela implique à la fois de faire monter une fusée dans le ciel, d’établir une orbite, de changer ladite orbite ; ou même de se libérer de l’orbite pour revenir sur Terre ou pour tracer une nouvelle route dans l’espace.
L’endroit d’où une fusée est lancée dépend de la physique. En règle générale, les fusées se lancent aussi près que possible de l’équateur ; afin de profiter de la vitesse de rotation de la Terre, qui est la plus élevée à l’équateur – environ 1 000 milles à l’heure. Plus une fusée reçoit de vitesse orbitale de la Terre, moins elle a besoin de carburant pour atteindre la vitesse orbitale ; ce qui augmente son efficacité. Toutes les fusées ne peuvent pas profiter de la rotation de la Terre ; certaines sont conçues pour envoyer des charges utiles telles que des satellites en orbite nord-sud, autour des pôles.
La mécanique orbitale est un terme pour les mathématiques par lesquelles un vaisseau spatial change d’orbite. Pour les objets en orbite, plus ils sont proches de l’objet en orbite, plus vite ils se déplaceront autour de lui. Cela s’applique à tout objet en orbite autour d’un autre ; la Terre en orbite autour du soleil, la lune en orbite autour de la Terre ou un vaisseau spatial en orbite autour d’une planète. En mécanique orbitale, le concept d’accélération et de ralentissement est complexe et contre-intuitif. En orbite, tirer vos moteurs vers l’avant vous fait avancer sur une orbite plus élevée, ce qui signifie en fait que vous ralentissez ; car les objets sur une orbite plus élevée se déplacent plus lentement. Pour aller plus vite, vous devez ralentir et tomber sur une orbite inférieure.
Plus vous êtes loin de la Terre, moins cet effet s’amplifie. Lorsque vous vous éloignez suffisamment de la Terre, les effets relatifs de la mécanique orbitale sont si faibles ; de sorte que vous pouvez naviguer comme si vous utilisiez votre vaisseau spatial dans l’espace lointain.
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Quel est l’impact de la mécanique orbitale sur la Station spatiale internationale ?
Ces considérations orbitales affectent la gestion de la Station spatiale internationale (ISS). En raison de petits morceaux d’air autour de l’ISS, la station est tirée légèrement vers la Terre lorsqu’elle orbite. Afin d’éviter une spirale continue vers l’intérieur de la Terre, l’équipage à bord de l’ISS ou du contrôle de mission doit allumer ses moteurs de temps en temps pour le déplacer sur une orbite plus élevée.
Pour déplacer son vaisseau spatial d’une orbite inférieure à une orbite supérieure ; l’équipage utilise normalement le changement orbital classique: le transfert Hohmann. Dans les années 1920, l’ingénieur allemand Walter Hohmann, inspiré par la science-fiction, a calculé le moyen le plus efficace de passer sur une orbite plus élevée. Le transfert Hohmann fonctionne en tirant les moteurs-fusées une fois à un certain point de l’orbite inférieure. Ce tir ajoute de l’énergie à l’orbite et propulse le vaisseau spatial plus loin de la Terre ; changeant son orbite d’une orbite circulaire à une orbite de forme ovale.
Comment la vitesse orbitale est-elle liée à la vitesse de rotation de la Terre ?
La Terre est en rotation constante sur un axe. Un tel axe traverse le pôle nord et le pôle sud de la planète. La partie de la Terre qui est la plus éloignée de cet axe centré sur les pôles est l’équateur. Conformément aux principes de la physique, la vitesse de rotation de la Terre sera la plus élevée au point le plus éloigné de l’axe. Pour cette raison, les agences spatiales ont tendance à lancer leurs fusées à partir de points relativement proches de l’équateur. Ce qui permet aux fusées de coopter la vitesse de rotation de la Terre dans leur quête pour atteindre la vitesse orbitale.
Quelle est la différence entre la vitesse orbitale et la vitesse d’échappement ?
Il faut un certain niveau de vitesse pour qu’un objet atteigne l’orbite autour d’un corps céleste tel que la Terre. Il faut une vitesse encore plus grande pour se libérer d’une telle orbite. Lorsque les astrophysiciens conçoivent des fusées pour voyager vers d’autres planètes ; ou hors du système solaire entièrement, ils utilisent la vitesse de rotation de la Terre pour accélérer les fusées et les lancer hors de l’orbite. La vitesse requise pour se libérer d’une orbite s’appelle la « vitesse d’échappement ». Si un vaisseau spatial en orbite tire son moteur assez longtemps ; il ira finalement assez vite pour s’envoler dans l’espace lointain, échappant à la gravité de la planète. Cette vitesse d’échappement est simplement la racine carrée de 2, soit 41% plus rapide que la vitesse orbitale.
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