Orbit: terus jatuh mengelilingi Bumi

Pada ketinggian 400 km, satelit harus menempuh sekitar 7.7 km setiap detik agar tetap mengorbit.

Meriam Newton

Isaac Newton menguraikan eksperimen pikiran yang hingga kini menjelaskan orbit lebih baik daripada penjelasan lain. Letakkan meriam di puncak gunung yang mustahil tingginya, di atas atmosfer, lalu tembakkan peluru menyamping. Peluru jatuh ke tanah agak jauh dari meriam. Tembakkan lebih cepat, dan peluru mendarat lebih jauh. Bumi bulat, sehingga semakin jauh peluru bergerak, semakin melengkung permukaan tanah di bawahnya. Pada kecepatan tertentu, tanah melengkung menjauh tepat secepat peluru jatuh, sehingga peluru tidak pernah mendarat. Peluru terus jatuh mengelilingi Bumi selamanya. Itulah orbit.

Ini juga menjelaskan mengapa astronaut melayang. Stasiun Antariksa Internasional hanya berada sekitar 400 km di atas permukaan, dengan gravitasi yang masih sekitar 89% dari gravitasi di tanah, (6371 ÷ 6771)². Awak melayang karena mereka dan stasiun terus jatuh bersama dengan laju yang sama. Para insinyur menyebutnya jatuh bebas, atau mikrogravitasi.

Bumi sendiri memberi kecepatan awal pada setiap peluncuran. Tanah di khatulistiwa bergerak ke timur dengan kecepatan 2π × 6378 km ÷ 23.93 jam ≈ 0.47 km/s, dan roket yang berdiri di landasan sudah memiliki kecepatan itu. Peluncuran ke timur menambahkannya pada kecepatan orbit tanpa biaya bahan bakar. Itulah sebabnya kebanyakan roket menuju timur dan lokasi peluncuran sering ditempatkan sedekat mungkin dengan khatulistiwa dalam wilayah suatu negara. Pada lintang 34°, tambahan itu menyusut menjadi sekitar 0.39 km/s, dan roket yang menuju orbit kutub hampir tidak mendapatkannya.

Seberapa besar kecepatan orbit?

Untuk orbit lingkaran, kecepatannya diperoleh dari satu rumus: v = √(GM ÷ r), dengan GM Bumi sebesar 398 600 km³/s² (lembar fakta Bumi NASA) dan r adalah jarak dari pusat Bumi, bukan dari tanah. Di permukaan, r = 6371 km menghasilkan sekitar 7.9 km/s, yaitu kecepatan peluru meriam Newton jika tidak ada udara. Pada ketinggian 400 km, r = 6771 km, kecepatannya 7.67 km/s dan satu putaran memerlukan 2πr ÷ v ≈ 92 menit. NASA membulatkannya menjadi sekitar 90 menit per putaran stasiun, 16 kali sehari.

Orbit yang lebih tinggi lebih lambat dan memerlukan waktu lebih lama. Satelit GPS pada ketinggian sekitar 20 200 km mengelilingi Bumi dua kali sehari (GPS.gov), dan rumus menghasilkan 11.97 jam. Pada r = 42 164 km, atau ketinggian 35 786 km, periodenya menjadi 23 jam 56 menit, satu hari sideris. Satelit di sana yang berada di atas khatulistiwa mengimbangi putaran Bumi dan tampak diam di langit. Itulah orbit geostasioner yang digunakan satelit cuaca seperti seri Chollian Korea dan televisi satelit. Karena itu, parabola rumah dapat diarahkan ke satu titik tetap.

Lepas dan tidak kembali

Jika kecepatan bertambah melampaui kecepatan orbit lingkaran, orbit memanjang menjadi elips yang menjangkau lebih jauh. Pada √2 kali kecepatan lingkaran, sekitar 41% lebih tinggi, elips terbuka sepenuhnya dan benda tidak kembali lagi. Itulah kecepatan lepas. Dari permukaan Bumi nilainya √2 × 7.91 ≈ 11.2 km/s; lembar fakta NASA mencantumkan 11.186 km/s. Wahana yang menuju Mars atau planet luar sering berangkat dari orbit parkir rendah, lalu menyalakan mesin lagi untuk lepas dari Bumi. Wahana dapat mencapai Bulan tanpa melampaui kecepatan lepas Bumi.