In meccanica celeste e in meccanica spaziale , un'orbita ( /ɔʁ.bit/ ) è la curva chiusa che rappresenta la traiettoria che un oggetto celeste traccia nello spazio per effetto della gravità e delle forze d'inerzia. Tale orbita è detta periodica. Nel Sistema Solare , la Terra , gli altri pianeti , gli asteroidi e le comete sono in orbita intorno al sole . Allo stesso modo, i pianeti hanno satelliti naturali che li orbitano. Oggetti creati dall'uomo, come satelliti e sonde spaziali , orbitano attorno alla Terra o ad altri corpi del sistema solare.
Un'orbita ha la forma di un'ellisse, il cui punto focale coincide con il baricentro dell'oggetto centrale. Da un punto di vista relativistico , un'orbita è una geodetica nello spazio-tempo curvo.
Molti modelli sono proposti fin dall'antichità per rappresentare i movimenti dei pianeti . La parola pianeta - in greco antico : πλανήτης , “stella (o stella) errante” - distingue quindi questi oggetti celesti dalle stelle “fisse” per il loro apparente movimento sulla sfera celeste nel tempo. A quel tempo, questa nozione includeva quindi il Sole e la Luna oltre a cinque autentici pianeti: Mercurio , Venere , Marte , Giove e Saturno . Tutti questi sistemi sono geocentrici , cioè pongono la Terra al centro dell'Universo, secondo il sistema astronomico esposto da Platone nel Timeo . Secondo Simplicio (fine V ° secolo - inizio VI ° . Secolo dC) è Platone (427-327 aC.) Che aveva offerto il suo allievo Eudosso di Cnido (408-355 aC dC.) Per studiare il movimento dei pianeti utilizzando solo movimenti circolari e uniformi , considerati perfetti.
La difficoltà di descrivere con precisione i movimenti dei pianeti, in particolare i fenomeni di retrogradazione , porta a rappresentazioni complesse. Il mondo greco-romano delle conoscenze astronomiche è riassunto nel II ° secolo dC da Tolomeo (circa 90-168 dC), in un'opera in lingua greca trasmessa dagli Arabi con il nome di Almagesto . Conosciuto come il modello di Tolomeo , la rappresentazione del sistema solare e del movimento dei pianeti (oltre che della Luna e del Sole ) utilizza, come i suoi predecessori, un modello geocentrico e un elaborato sistema di sfere in rotazione circolare e uniforme, l'epicicloidale e vas introdotto da Ipparco ( II e sec aC ), migliora introducendo la nozione di equante , che è un punto distinto del cerchio centro deferente contro il quale un pianeta, o centro di un epiciclo, si muove a velocità uniforme. Il sistema di Tolomeo dominerà l'astronomia per quattordici secoli. Dà risultati soddisfacenti nonostante la sua complessità, se necessario modificando e perfezionando il modello di epicicli, deferenti e punti equanti. Considerato compatibile con la filosofia di Aristotele, il geocentrismo divenne la dottrina ufficiale della Chiesa in Europa durante il Medioevo .
Lo dobbiamo a Copernico (1473-1543) che nella sua opera maggiore De revolutionibus Orbium Coelestium pubblicata alla sua morte nel 1543 mise in dubbio il dogma geocentrico e propose un sistema eliocentrico, in cui i pianeti e la Terra si muovono in orbite circolari, viaggiano a velocità costante , la Luna è l'unica stella che ruota intorno alla Terra. Sebbene imperfetta, questa visione si rivela molto fruttuosa: i movimenti dei pianeti sono più facili da descrivere in un quadro di riferimento eliocentrico. L'insieme delle irregolarità del movimento come le retrogradazioni può essere spiegato solo dal movimento della Terra nella sua orbita, più precisamente in termini moderni dall'effetto del passaggio dal sistema di riferimento eliocentrico al sistema di riferimento geocentrico. Il sistema di Copernico permette inoltre di supporre che le stelle della "sfera fissa" si trovino ad una distanza dalla Terra (e dal Sole) molto maggiore di quanto precedentemente ipotizzato, per spiegare l'assenza dell'effetto osservato ( parallasse ) del movimento di la Terra sulla posizione delle stelle. Va notato che inizialmente il sistema di Copernico, che nella pratica astronomica consisteva nello scambiare le posizioni della Terra e del Sole, non suscitò un'opposizione di principio da parte della Chiesa, fino a quando quest'ultima s' accorse che questo modello metteva in discussione la posizione di Aristotele filosofia . Keplero (1571-1630) perfezionerà questo modello, grazie all'attenta analisi delle precise osservazioni del suo maestro Tycho Brahe (1541-1601), in particolare riguardanti il movimento del pianeta Marte . Pubblicò le sue tre famose leggi (Cfr. Leggi di Keplero ) nel 1609, 1611, 1618:
Un'orbita kepleriana è l'orbita di un corpo puntiforme - vale a dire la cui distribuzione di massa ha simmetria sferica - e sottoposto al campo gravitazionale creato da una massa puntiforme, quest'ultima essendo quest'ultima presa come origine di il deposito. In altre parole, è l'orbita di un corpo in interazione gravitazionale con un singolo altro corpo, ogni corpo essendo assimilato a un punto.
L'orbita kepleriana di ciascun corpo è un'orbita conica di cui uno dei fuochi coincide con il centro di massa dell'altro corpo preso come origine del sistema di riferimento.
Un'orbita ellittica è descritta mediante due piani - il piano dell'orbita e il piano di riferimento - e sei parametri detti elementi: il semiasse maggiore , l' eccentricità , l' inclinazione , la longitudine del nodo ascendente , l' argomento del periapsi e il posizione dell'oggetto nella sua orbita. Due di questi parametri - eccentricità e semiasse maggiore - definiscono la traiettoria in un piano, altri tre - inclinazione, longitudine del nodo ascendente e argomento del pericentro - definiscono l'orientamento del piano nello spazio e l'ultimo - momento di passaggio al pericentro - definisce la posizione dell'oggetto.
Parametri orbitali di un satellite artificiale: ascensione retta del nodo ascendente ☊, inclinazione i, argomento perigeo ω.
Vista perpendicolare al piano orbitale: semiasse maggiore a, argomento del perigeo ω, anomalia vera ν.
Il piano di riferimento o piano di riferimento è un piano contenente il baricentro del corpo principale. Il piano di riferimento e il piano dell'orbita sono quindi due piani intersecanti. La loro intersezione è una linea retta chiamata linea dei nodi. L'orbita interseca il piano di riferimento in due punti, chiamati nodi. Il nodo ascendente è quello attraverso il quale passa il corpo in una traiettoria ascendente; l'altro è il nodo discendente.
Il passaggio tra il piano orbitale e il piano di riferimento è descritto da tre elementi che corrispondono agli angoli di Eulero :
Il sesto parametro è la posizione del corpo orbitante nella sua orbita in un dato momento. Può essere espresso in diversi modi:
Quando parliamo del periodo di un oggetto, di solito è il suo periodo siderale, ma ci sono diversi periodi possibili:
Di seguito, è l'eccentricità, l' anomalia vera , l' anomalia eccentrica e l' anomalia media .
Il raggio dell'ellisse (misurato da un fuoco) è dato da:
Tra le anomalie esistono le seguenti relazioni:
o
Un'applicazione frequente è trovare da . Basta quindi iterare l'espressione:
Se usiamo un valore iniziale , la convergenza è garantita, ed è sempre molto veloce (dieci cifre significative in quattro iterazioni).
La traccia al suolo di un satellite artificiale è la proiezione al suolo della sua traiettoria nella sua orbita lungo una verticale che passa per il centro dell'astro attorno al quale ruota. La sua forma determina le porzioni di superficie scansionate dagli strumenti satellitari e gli slot di visibilità satellitare dalle stazioni terrestri. Il disegno della traccia risulta sia dallo spostamento del satellite nella sua orbita sia dalla rotazione della Terra.
Le orbite dei satelliti artificiali possono essere classificate secondo diversi criteri:
Quando l'orbita è quasi circolare viene detta orbita bassa (LEO, dall'inglese Low Earth Orbit ) se la sua altitudine è inferiore a 1.500 km , orbita media (MEO, da Medium Earth Orbit ) se è compresa tra 1.500 e 20.000 km , e alta orbita oltre. L'orbita alta più comune, perché permettendo al satellite di rimanere permanentemente al di sopra della stessa regione della Terra si trova ad un'altitudine di 36.000 km e si chiama orbita geostazionaria (o GEO per l'inglese Geostazionario Earth Orbit ). Richiede che l'inclinazione orbitale sia 0°. Un'orbita a questa altitudine con orbita zero o meno è un'orbita geosincrona . La maggior parte dei satelliti è in orbita circolare intorno alla Terra o si trova su un'orbita bassa ( satellite di osservazione della Terra , satellite da ricognizione ) su un'orbita media a 20 000 km ( navigazione satellitare ) su un'orbita geostazionaria ( satellite per telecomunicazioni , satellite meteorologico ).
Tra le orbite ellittiche alte (o HEO per l'inglese High Earth Orbit ) troviamo orbite che soddisfano obiettivi molto precisi come l' orbita di Molnia che consente una migliore visibilità dalle alte latitudini rispetto all'orbita geostazionaria o all'orbita della tundra che ne è una variante. L' orbita di trasferimento (o GTO sta per Geostationary Transfer Orbit ) è un'orbita transitoria il cui apogeo è di 36.000 km e che viene utilizzata dai satelliti che devono essere collocati in un'orbita geostazionaria.
L'orbita attorno a un punto di Lagrange (area dello spazio in cui si equilibra l'influenza gravitazionale di 2 corpi celesti) è un'orbita di alone (o orbita di Lissajous per allusione alla sua forma che ricorda una curva di Lissajous ) ed è denotata L1LO (L1 Lissajous Orbit ) ovvero L2LO, L1 e L2 essendo i due punti di Lagrange del sistema Terra-Sole utilizzati in particolare dai satelliti per l'osservazione astronomica o lo studio del Sole. Queste orbite instabili vengono percorse in circa 200 giorni e richiedono manovre correttive regolari.
A seconda del valore dell'angolo di inclinazione orbitale i, si parla di orbita equatoriale (i = 0°), orbita quasi equatoriale (i <10°), orbita polare o quasi polare (i vicino a 90°). Se l'inclinazione orbitale è minore o uguale a 90°, come avviene per la maggior parte dei satelliti, l'orbita è detta diretta (o prograda), altrimenti è detta retrograda.
I satelliti in orbita geostazionaria, in una posizione fissa sopra la Terra, sono talvolta opposti ai satelliti in movimento . Nella categoria delle orbite polari, un'orbita ampiamente utilizzata, l' orbita eliosincrona , è caratterizzata dal movimento del suo piano orbitale che ruota sotto l'effetto della precessione nodale in modo sincrono con il movimento della Terra attorno al Sole. Un satellite di questo tipo ripassa sempre alla stessa ora solare su una regione illuminata. Un orbita graduale è una categoria di orbita eliosincrona caratterizzato dal fatto che il satellite dopo un certo numero di giri passa esattamente sopra lo stesso punto.
Un veicolo spaziale può essere posizionato in un'orbita di attesa (di solito un'orbita bassa) per raggiungere una posizione favorevole per eseguire la successiva manovra orbitale. Un orbita deriva è un orbita transitoria viaggiato dai satelliti per raggiungere passivamente la loro posizione finale in orbita geostazionaria. Infine, alla fine della sua vita, il satellite viene posto in un'orbita cimiteriale (o orbita di scarto) per evitare di trovarsi nel percorso dei satelliti attivi.
Il sostantivo femminile "orbita" è un prestito dal latino orbita , che designa la traccia di una ruota.
Inizialmente, il termine orbita è un termine usato in matematica per designare l'insieme dei punti attraversati da una traiettoria , cioè da una curva parametrizzata . La differenza tra "orbita" e "traiettoria" consiste nel fatto che la traiettoria esprime l'evoluzione del punto mentre l'orbita è un concetto "statico". Quindi, per una traiettoria , l'orbita è il tutto .
Un'orbita può quindi avere qualsiasi forma a seconda della dinamica del sistema studiato, ma nel tempo l'uso del termine è stato riservato alle orbite chiuse in astronomia e astronautica .
“Platone […] pone allora ai matematici questo problema: quali sono i movimenti circolari, uniformi e perfettamente regolari che dovrebbero essere assunti come ipotesi, affinché si possano salvare le apparenze che presentano gli astri erranti? "
- Simplicius , Commenti al trattato di Aristotele Du ciel , II, 12, 488 e 493.
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