Uyduları belirli hızda, düşmeden hareket ettiren faktör nedir?

Bu konunun en basit açıklaması Sir Isaac Newton’un “top güllesi” düşünce deneyidir. Düşünce deneyi tabii ki sürtünme, Dünya’nın dönüşünün etkileri gibi birçok önemli olguyu ihmal ediyor. Fakat bize uyduların nasıl yörüngede durduğu ile ilgili basit de olsa bir anlayış kazandırıyor. Yüksekçe bir noktaya yerleştirdiğimiz toptan bir gülle fırlattığımızı düşünelim.

Yeryüzüne paralel fırlatılan güllenin hızının yönü, yerçekimi kuvvetinin etkisiyle değişir. Fırlatılan gülleye sürekli olarak etki eden yerçekimi kuvveti gülleye yeryüzünün merkezine doğru bir hız bileşeni daha kazandırır. Bu iki hızın bileşkesi olarak gülle eğrisel bir yol izleyerek yeryüzüne düşer. Topa daha çok barut koyarak toptan çıkan güllenin namlu hızını artırdığımızı düşünelim. Top güllesi tekrar yere düşecektir, ama yeryüzüne paralel namlu hızı daha fazla olduğu için daha uzağa düşer.

Kullandığımız topun büyük ve gülleyi daha da fazla hızlandırmaya uygun olduğunu düşünelim ve gülleyi hızlandırmaya devam edelim. Güllenin namlu hızı artıkça gülle küresel kabul edilmiş Dünya üzerinde sürekli daha uzağa düşer. Topumuzun gülleyi yeryüzüne düşmeyecek kadar hızlandırdığımızı düşünelim. Bu durumda gülle artık Dünya’nın etrafında yörüngeye oturur. Topumuza doğru miktarda barut koyarak namlu hızını belli bir değere getirebilirsek gülle Dünya’nın etrafında dairesel bir yörüngeye oturur.

Gülle artık bir yapay uydu haline gelmiş olur. Yerçekimi kuvvetinin etkisi, artık sadece yeryüzüne paralel fırlattığımız güllenin hızını yerkürenin yüzeyine paralel tutmaya yarar. Küçükken hepimiz bir taşı bir ipe bağlayıp başımızın üzerinde çevirmişizdir. Yerçekimi kuvveti taşı tutan ip görevini üstlenerek gülleyi yörüngede tutar. Bunu güllenin hızını hep yeryüzüne paralel olacak şekilde değiştirerek yapar. Düşük hızlarda gülleyi yere düşüren yerçekimi kuvveti, doğru hız ve yükseklikteki gülleyi yörüngede tutar. Kuramsal olarak uydu yani gülle bu yörüngede sonsuza kadar kalabilir.

Namludan çıkış hızını artırmaya devam edersek ne olur? Dairesel yörünge eliptik hale gelir. Dünya’nın merkezi elipsin merkez noktalarından biri olur. Hız artınca gülle elips yörüngede kalır ama Dünya’dan uzaklaşmaya başlar. Namlu hızı kritik bir hıza ulaşınca da Dünya’dan kopup uzaklaşır. Dünya’dan kopuşun gerçekleştiği minimum hıza kaçış hızı diyoruz. Fakat burada ufak bir hatırlatma yapmak gerekiyor.

Roketler, motorları sayesinde itmeye sahip oldukları için istenilen hızda yerçekimini yenerek Dünya’dan uzaklaşabilir. Kaçış hızı sadece ilk hareket verilen cisimler için, örneğin bir top güllesi için fiziksel olarak anlamlıdır. Dünya için kaçış hızı saatte 40 bin km. civarındadır. Özetle, yerçekimi bizi yeryüzünde tuttuğu gibi başımızın üzerinde dolaşıp hayatımızı kolaylaştıran uyduları da yörüngelerinde tutar.

Uydular yörüngeleri etrafında müthiş hızlarda dolanırlar. Yaptıkları bu dairesel hareket onların dış yönde savrulmalarına sebep olur. Eğer doğru bir hızda ilerlerseniz, bu savrulma etkisiyle yerçekimi etkisini yok edebilirsiniz. İşte uydularda da gerçekleşen tam olarak budur. ISS’de görevli astronotların süzülmelerini sağlayan şey, kuvvetler dengesi ile yerçekimi etkisinin yok edilmesidir. Tıpkı elinizde bir şeyler taşımak gibi. Aslında o cisme yerçekimi etki eder, fakat siz aksi yönde bir kuvvet uyguladığınız için nesneye etki eden net kuvvet sıfırdır. Dolayısıyla nesne olduğu yerde durur. Uydunun yerçekiminin etkisini hissetmemesi için, onu dış yönde savuran merkezkaç kuvveti, çekim kuvvetine eşit olmalıdır.