人工衛星の高度と速度の関係を子供にわかりやすく教える方法がヤバすぎる!?

人工衛星はなぜ落ちないの?

そもそも「衛星」って何?  

惑星の引力に引かれて、惑星の周りを回り続けてい るものを衛星と呼びます。月は地球の衛星です。人工衛星は、その名の通り人間が作った衛星です。

人工衛星はなぜ地上に落ちてこないの?

人工衛星が落ちてこないわけを、次のようにして説明しましょう。模造紙をつなぎ合わせて地球に見立てた大 きな円を描き、子どもに質問しながらボールの軌跡を書き込んでいきます。

人工衛星の高度と速度の関係がヤバすぎる!?

(1)まず、2mの高さからボールを真横に投げたときのことを考えてみましょう。

人工衛星の高度と速度の関係がヤバすぎる!?2

(2)投げるスピードをどんどん上げると?

投げるスピードが速くなればボールはどんどん遠くまで飛びますが、やがて地面に落ちますね。しかし、さらに投げるスピードを上げて、ボールの軌跡と地球の丸み(カーブ)が一致したら、ボールはどうなるでしょう?

人工衛星の高度と速度の関係がヤバすぎる!?3

(3) ボールの軌跡と地球の丸みが一致したら?

ボールの軌跡と地球の丸みが一致したとき、ボールの地面からの高さが投げ出したときの高さからずっと変わらないという不思議なことが起こります。このとき果たしてボールは落下していないのでしょうか・・・地球に重力がなくボールが落ちないとしたら、どこまでも真っ直ぐに飛んで行くはずです。しかし実際は重力があるので、ボールの軌跡は曲がります(落ちている)。

ここで目の前の地面を宇宙からの視点(丸い地球)に移してみましょう。ボールの地面からの高さは全く変わっていませんが、落ちない場合の直線と比べると確かに落ちていますね。

そう、落ちて当たる先の地面が曲がっているため(つまり地球が丸いため)、落下し続けても地面には当たらず、ついには元の位置に戻ってきてしまうのです。いったん元の位置に帰ってきたら、その後は同じことの繰り返しです。こうして地球の周 りを回る人工衛星が誕生するのです。

人工衛星の高度と速度の関係がヤバすぎる!?4

人工衛星とロケット  

人工衛星の速度が落ちずに地球の周りを回り続けられるのは、宇宙空間には空気の抵抗がほとんどないからです。その宇宙へ人工衛星を運び、ものすごいスピードで投げ出してくれるのがロケットです。人工衛星は、ただ高く打上げるだけでは衛星になりません。空気のない宇宙まで高く上げた後に、ロケットか ら横方向に打ち出しているのです(この方向転換のしかたはロケットによって違います)。

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人工衛星の種類

技術開発・試験衛星

人工衛星には常に新しい技術が取り入れられますが、その技術を確固たるものにするために作られた衛星です。新しいロケットの1号機には試験衛星がしばしば搭載されます。

通信放送衛星

すっかりおなじみになったBS放送や国内・海外との TV 中継などに使用される衛星です。

地球観測衛星  

地球の状態を監視する衛星です。毎日お世話になっている天気予報のための衛星もここに分類されます。

科学衛星  

宇宙の謎に迫る観測をする衛星で、地球周辺の観測をしたり、望遠鏡を搭載して遠くの天体を観測しています。

有人衛星

この分類のしかたは一般的ではないかもしれませんが、人間が乗る宇宙船も地球の周りを回れば人工衛星といえます。

  • 初めての完全な宇宙往 還機である「スペース シャトル」
  • 「国際宇宙ステーション(ISS)」
  • 宇宙遊泳をする宇宙飛行士も立派な「人工」衛星です

惑星探査機

地球の周りを回っていないので「衛星」とは呼べませんが、地球外の天体をその場に行って観測する探査機達 です。厳密に言えば、惑星間空間を飛行している物は「人工惑星」、月や火星の周りを回れば「その天体の人工衛星」 になります。

  • アポロ計画以来最大規模で本格的に月を探査した「かぐや」
  • 世界で初めて小惑星から微粒子を持ち帰った「はやぶさ」

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人工衛星はどう飛ぶの?

感覚的に人工衛星が飛ぶ原理をつかんだ後、さらに人工衛星について知るためには最低限理解しておきたいことが幾つかあります。ここでは高度と周期を取り上 げます。

地面からの高さ「高度」

地面から人工衛星までの高さを「高度」といい、人工衛星が通る道筋を軌道と呼びます。スペースシャトルや国際宇宙ステーションは、およそ高度400kmの軌道を飛んでいます。ところで、この400kmという距離は近 いでしょうか?遠いでしょうか?地球の縮尺円に軌道の円を描いてみると、その近さに驚かされます。

地球を1周する時間「周期」

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人工衛星が地球を1周する時間を「周期」といいます。周期は高度や軌道の形(円・楕円)に よって変わります。円軌道の場合、高度が低いほど周期は短く、高くなるほど周期が長くなることが表からわかります。 ここで注目したいのは、高度約36,000kmの④です。この軌道の衛星を静止衛星と呼びます が、止まっている(動いていない)わけではありません。

その周期をよく見ると、およそ24時間(つまり1日)ですね。地球は1日で1回転(自転)しています。そして静止衛星は1日で地球 の周りを1周します。静止衛星から地球を見ると地球上の同じ場所が見え続けます。逆に地上からも空(宇宙)の同じ地点に衛星が居続けて、止まっているように見えるのです。

この見え方は子ども2人が向かい合って立ち、1人が地球役になってその場で回転(自転)し、もう1人が衛星役になって周りを回れば、すぐに実感できます。

表にはありませんが、もっと高度が高くなるとどうなるでしょうか。およそ38万km離れたと ころ(高度)には「天然」の衛星である月がいま す。そして月は、およそ27日かけて地球の周りを1周しています。

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人工衛星を見てみよう

望遠鏡で夜空に輝く星を見るのは楽しいものですが、動いている人工衛星を見るのもまた、楽しいものです。予定時 間通りに見え、しかも望遠鏡のいらない(実際のところ望遠鏡では追えない)人工衛星の観察会を企画してみましょう。

人工衛星が見えるわけ

自ら光を発していない人工衛星を見るには、条件が整っていなければなりません。つまり地上は暗くなっているのですが、人工衛星が飛んでいるところはまだ明るく太陽の光を反射していることが見える条件になります。このようなタイミングは日の入りの直後か日の出の直前に限られます。

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国際宇宙ステーションやスペースシャトルを見よう

いちばん見やすく見ごたえがあるのは、何といっても国際宇宙ステーションでしょう。人工衛星の中では最大であるうえ、そこに宇宙飛行士が乗っていると思うと、ただの光の点ではなくなります。双眼鏡を使うと形ま でわかります。JAXAのホームページでは、国際宇宙ステーションが見られる時刻や位置が紹介されています。 http://kibo.tksc.jaxa.jp/

 

最後に・・・人工衛星を作るのも夢じゃない!?

人工衛星を作れるのは、大企業のメーカーだけだと思っていませんか?いいえ、形は小さいですが、町工場 や大学生が作った人工衛星が実際に宇宙を飛んでいます。次のサイトが参考になります。

東京大学・中須賀研究室のホームページ⇒http://www.space.t.u-tokyo.ac.jp/nlab/index.html

東京工業大学・松永研究室のホームページ⇒http://lss.mes.titech.ac.jp/index_j.html

 

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