Под действием какой силы изменяется направление движения искусственных спутников Земли?

Для решения данной задачи необходимо рассмотреть основные принципы, связанные с движением тел по криволинейным траекториям, а также влияние сил, действующих на искусственный спутник при его орбитальном движении вокруг Земли.

1. Движение тел по криволинейной траектории:
Когда объект движется по криволинейной траектории, его скорость меняется не только по величине, но и по направлению. Это означает, что на объект действует сила, называемая центростремительной. Центростремительная сила направлена к центру кривизны траектории, то есть в данном случае — к центру Земли.

2. Гравитационное взаимодействие:
Искусственные спутники Земли движутся под действием силы тяжести, которая является одной из проявлений гравитационного взаимодействия. Гравитационная сила между двумя телами определяется законом всемирного тяготения, сформулированным Исааком Ньютоном:

$$ F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} $$

где:
− $ F $ — сила гравитационного притяжения,
− $ G $ — гравитационная постоянная ($ 6.674 \times 10^{-11} \, \text{м}^3 \cdot \text{кг}^{-1} \cdot \text{с}^{-2} $),
− $ m_1 $ и $ m_2 $ — массы объектов, в данном случае массы Земли и спутника,
− $ r $ — расстояние между центрами этих двух объектов.

По этому закону, Земля притягивает спутник с определённой силой, направленной к её центру.

3. Центростремительная сила:
Для того чтобы спутник мог двигаться по орбите, его траектория должна быть криволинейной. Это требует наличия центростремительной силы, которая изменяет направление скорости спутника, заставляя его двигаться по кругу или эллипсу вокруг Земли. В данной ситуации роль центростремительной силы выполняет гравитационная сила притяжения Земли. Эта сила действует постоянно и направлена к центру Земли.

4. Условия орбитального движения:
Для того чтобы спутник находился на стабильной орбите, его скорость должна быть такой, чтобы сила гравитационного притяжения компенсировала центробежную силу, возникающую из−за движения спутника. Условие равновесия можно выразить следующим образом:

$$ F_{\text{грав}} = F_{\text{центробеж}} $$

или

$$ G \frac{m_{\text{Земли}} m_{\text{спутника}}}{r^2} = m_{\text{спутника}} \frac{v^2}{r} $$

где $ v $ — орбитальная скорость спутника.

5. Изменение направления движения:
Когда спутник движется вокруг Земли, его скорость постоянно меняется по направлению. Это изменение направления скорости — результат действия гравитационной силы притяжения, которая заставляет спутник двигаться по криволинейной траектории. Напомним, что гравитационная сила всегда направлена к центру Земли, и именно она является причиной изменения направления движения спутника.

6. Вывод:
Таким образом, направление движения спутника изменяется под действием силы гравитационного притяжения Земли. Эта сила является причиной того, что спутник остаётся на своей орбите и движется по криволинейной траектории.