V říjnu před 68 lety byla vypuštěna na oběžnou dráhu Země první umělá družice v historii. Jmenovala se Sputnik, což je ruský výraz pro družici (satelit). Protože pak následovaly další projekty pod stejným názvem, označujeme ji dnes jako Sputnik 1. Politický význam této události ponechme stranou. Podstatné je, že ve 20. století odstartovala postupné pronikání člověka do vesmíru. A my se teď podíváme na to, co přesně znamená slovo „družice“, a uděláme si pár pokusů k tomuto tématu.
Postupně se propracujeme k zajímavějším informacím, ale začneme suše. Tím, že družice je definovaná jako těleso pohybující se po oběžné dráze kolem jiného tělesa. Vlastně i Měsíc je družice, protože se pohybuje po oběžné dráze kolem Země. Takovým družicím říkáme přirozené. Může to být třeba i nějaký zbloudilý vesmírný šutr, který se dostane do takové vzdálenosti od nějakého většího vesmírného objektu a získá takovou rychlost, aby kolem něj obíhal.
Vás ale asi budou zajímat spíš družice umělé, jejichž byl Sputnik 1 praotcem. Kolem Země v současnosti obíhá opravdu ledacos: družice sloužící ke sledování počasí, k přenosu televizního a internetového signálu, k navigacím, samozřejmě k nejrůznějším špionážím atd. Umělým družicím se často říká satelity, i když to původně neznamená nic víc než prostě družice, ať umělá, či přirozená.
A teď k tomu nejdůležitějšímu: díky čemu se družice pohybují po kruhových drahách kolem „svých“ objektů? Zkuste si úplně jednoduchý pokus, ke kterému vám bude stačit jakékoli větší těleso, třeba židle, a nějaký míček, do bytu radši měkký. Hoďte míček tak, aby neproletěl kolem židle rovně, ale aby zahnul, ideálně aby ji obletěl a vrátil se zase k vám.
Podařilo se vám to? Možná trošičku, pokud umíte dávat míčku „faleš“, ale nejspíš vůbec. A ve vzduchoprázdnu by i nejzdatnější falešní hráči měli smůlu. Jak totiž říká 1. Newtonův zákon, bez působení vnější síly (nebo bez nerovnováhy působících vnějších sil) nemůže vzniknout žádný jiný pohyb než „rovně a pořád stejně rychle“. Když hodíme míček směrem k židli, tak ho zemská gravitace stáhne dolů, ale kolem židle míček nezatočí, ani kdybychom ho prosili. Jak je tedy možné, že družice „svůj“ objekt obíhá? Umožňuje to gravitační síla mezi družicí a „jejím“ objektem. Dobrá. Ale jak to, že družice neustále zatáčí „tak akorát“ – tedy že ani k objektu nespadne, ani od něj neodletí pryč, ale setrvale kolem něj krouží? To je dáno zase tím, že vzdálenost družice od objektu a rychlost jejího obíhání jsou spolu v souladu a v tomto souladu se ustálily. Kdyby se oběžná dráha posunula blíž k objektu, družice by musela zrychlit a naopak; a zase by se ustavila rovnováha.
Když se cokoli pohybuje po Zemi, ve vodě nebo vzduchem, objevují se při tom síly, které pohyb zpomalují. Družici ve vesmíru ale žádné takové síly nebrzdí. Proto stačí, aby dosáhla té správné rychlosti, a dál už obíhá „svůj objekt“ bez vynaložení jakékoli energie – tak jako třeba Měsíc Zemi, ale platí to samozřejmě i pro družice umělé. Zvláštní případ pak představují ty, které Zemi obíhají zároveň s jejím otáčením, takže zůstávají nad stále stejným místem; říkáme jim geostacionární družice a využíváme je ke sledování daného místa z výšky, třeba kvůli záznamům a předpovědím počasí, anebo v rámci různých komunikačních a navigačních systémů.
Ale dost už bylo výkladů, pojďme na další jednoduché pokusy. Potřebujete trubičku, provázek a dvě tělíska, která se dají k provázku přivázat – jedno těžší, druhé lehčí. Protáhněte provázek trubičkou a na každý konec přivažte jedno tělísko. Lehčí tělísko pak roztočte podle obrázku:
Podrobný fyzikální rozbor by ukázal, že tento pokus není úplně nejvhodnější simulací družice. Ukazuje nám však jednu velmi důležitou věc, a sice že pohyb tělesa po kružnici vyžaduje sílu působící směrem do středu kružnice, takzvanou dostředivou sílu. Kdyby provázek praskl a dostředivá síla by přestala působit, těleso by oběžnou dráhu okamžitě opustilo. V případě družic obíhajících Zemi hraje roli dostředivé síly zemská gravitace.
Teď budete potřebovat papírový talíř, nůžky a kuličku. Když rozjedete kuličku po obvodu dna talíře, bude se pohybovat po kružnici – což je opět výsledek působení dostředivé síly, v tomto případě síly, kterou na kuličku působí okraj talíře.
Pak podle obrázku kus talíře odstřihněte a po zbytku opět pusťte kuličku. Co se s kuličkou stane, když dojede k místu, kde okraj chybí?
Přesně takhle by to dopadlo i se Zemí, kdyby najednou přestala působit gravitační síla, která ji udržuje na oběžné dráze kolem Slunce. Nebo s Měsícem, kdyby někdo vypnul gravitační pole Země. Nic takového se nejspíš nikdy nestane, ale pokus nám znovu ukázal, jak fungují družice – že se nepohybují po kruhových (přesněji: elipsovitých) drahách samy od sebe, ale díky dostředivé síle.
A tak až třeba někdy přijde řeč na Sputnik 1 nebo na jiné umělé družice, můžete se blýsknout svými znalostmi, a dokonce i několika poučnými experimenty.
