Orbit

Dalam fizik, orbit () ialah satu jalan/landasan yang dilalui oleh objek mengelilingi satu titik atau jasad, contohnya orbit sebuah planet mengelilingi sebuah bintang. Kebiasaanya, orbit merujuk kepada trajektori yang berulang secara konsisten. Secara anggaran, planet dan satelit mengikuti orbit eliptikal, dengan pusat jisim mengorbit titik fokus elips, sebagaimana diterangkan Hukum-Hukum Kepler mengenai pergerakan planet.

Untuk kebanyakan situasi, pergerakan orbital dapat dianggarkan dengan tepat menggunakan mekanik klasik, yang menerangkan graviti sebagai daya yang mematuhi hukum kuasa dua songsang. Walau bagaimanapun, teori kerelatifan am einstein, yang mengambil kira graviti disebabkan oleh pelengkungan ruang-masa, dengan orbit yang mengikut geodesik telah memberikan pengiraan yang lebih tepat serta pemahaman mendalam tentang mekanik orbit  secara tepat.

Sejarah 
Pada awalnya, pegerakan planet diterangkan oleh ahli falsafah arab dan eropah menggunakan idea sfera cakerawala. Model ini menggunakan idea kewujudan sfera bergerak yang sempurna ataupun gelang untuk diletakkan planet dan bintang. Telah dianggap bahawa langit telah ditetapkan kecuali pergerakan sfera-sfera tersebut dan dibuat tanpa pemahaman graviti. Selepas pergerakan planet telah diukur dengan tepat, mekanisma teori seperti deferen dan epikitar telah ditambah oleh ahli astronomi arab. Walaupun model tersebut mampu meramal kedudukan planet dengan tepat, lebih banyak epikitar diperlukan apabila ukuran menjadi lebih tepat, menyebabkan model tersebut menjadi berserabut. Pada awalnya bersifat geosentrik tetapi diubah oleh Copernicus untuk meletakkan matahari di pusat untuk meringkaskan model tersebut. Model epikitar telah sekali lagi dicabar   pada abad ke-16 apabila komet dicerap melintasi sfera-sfera.

Asas bagi pemahaman moden orbit dirumuskan oleh Johannes Kepler yang hasilnya dirumuskan dalam 3 hukum gerakan planet Kepler. Pertama, dia mendapati yang orbit planet dalam sistem suria ialah elips, bukan bulatan atau epikitaran, seperti yang dipercayai dahulu, dan matahari tidak berada di pusat elips tersebut tetapi di salah satu titik fokusnya. Kedua, dia mendapati yang laju orbit bukan malar seperti yang diketahui dahulu, tetapi bergantung kepada jarak planet kepada matahari. Ketiga, Kepler menjumpai hubungan universal diantara ciri orbit planet yang mengelilingi matahari. Untuk planet, kuasa tiga jarak mereka dari matahari adalah berkadar dengan kuasa dua tempoh orbit. Sebagai contoh, Zuhrah adalah 0.723 AU dari matahari, dan tempoh orbit mereka ialah 0.615 tahun. Nisbah bagi Zuhrah adalah sama dengan semua planet lain menunjukkan hubungannya. Orbit ideal yang mematuhi hukum-hukum ini dikenali sebagai orbit kepler.

    
Isaac Newton menunjukkan bahawa hukum gerakan planet Kepler atau hukum Kepler dapat dirumuskan dari teori graviti Newton. Secara umumnya, gerakan sesuatu jasad dalam lingkungan pengaruh graviti merupakan lintasan yang berbentuk keratan kon. Newton kemudian menunjukkan bahawa sepasang jasad akan saling mengorbit dengan jarak yang berkadar songsang dengan jisimnya, sekitar titik pusat jisim gabungan dari kedua jasad tersebut. Bila salah satu jasad mempunyai jisim yang lebih besar, maka pusat jisimnya akan mendekati pusat jisim jasad yang lebih besar.

Kemajuan dalam mekanik klasik telah digunakan untuk mengkaji variasi daripada anggapan mudah di sebalik orbit Kepler, seperti gangguan disebabkan jasad lain atau impak jasad sferoid berbanding jasad sfera. Lagrange (1736-1813) membangunkan cara baharu kepada mekanik Newton dengan mementingkan tenaga lebih daripada daya serta mencapai kemajuan dalam masalah tiga jasad dengan menemui titik lagrange. Pada 1846, Urbain Le Verrier telah berjaya meramalkan kedudukan Neptun berdasarkan gangguan yang tidak dikenalpasti pada orbit Uranus.

Albert Einstein (1879-1955) telah menerangkan bahawa graviti disebabkan oleh pelengkungan ruang-masa dan telah menghapuskan tanggapan Newton yang perubahan berlaku secara langsung dalam kertas kajian 1916-nya tentang teori kerelatifan am. Ini menyebabkan ahli astronomi sedar bahawa mekanik klasik tidak memberikan ketepatan yang tertinggi untuk memahami orbit. Dalam teori kerelatifan, orbit mengikuti trajektori geodesik yang kebiasaannya dianggarkan dengan baik oleh ramalan klasikal (kecuali dalam keadaan tarikan graviti tinggi dan kelajuan tinggi) tetapi perbezaannya boleh dikira. Bukti eksperimen yang dapat membezakan antara kedua-dua teori tersebut setuju dengan teori kerelatifan. Tetapi, teori kerelatifan am tidak dapat menerangkan nilai liukan perihelion Merkuri berbaki yang pertama kali dinyatakan Le Verrier. Walau bagaimanapun, penyelesaian Newton masih digunakan untuk kegunaan jangka masa pendek kerana lebih mudah dan cukup tepat.

Orbit planet 
Dalam satu sistem planetari, planet-planet, planet kerdil, asteroid, komet, dan habuk angkasa mengorbit pusat jisim dalam orbit elips. Komet dalam orbit parabola dan hiperbola tidak terikat secara graviti kepada bintang dan tidak termasuk dalam sistem planetari bintang tersebut. Jasad yang terikat secara graviti kepada mana-mana planet samada satelit semulajadi atau buatan akan mengikuti orbit pada pusat jisim berdekatan atau dalam planet tersebut.

Disebabkan usikan graviti, kesipian orbit planet berubah mengikut masa. Merkuri, planet terkecil dalam sistem suria (pluto ialah planet kerdil), mempunyai kesipian orbit paling tinggi. Pada masa ini, Marikh mempunyai kesipian orbit yang kedua tertinggi manakala kesipian orbit terendah ialah orbit Zuhrah dan Neptun.

Apabila dua objek mengorbit satu sama lain, periapsis ialah titik kedua-dua objek berada paling dekat dengan satu sama lain manakala apoapsis ialah titik yang paling jauh. (Perkataan yang spesifik digunakan untuk jasad spesifik. Contohnya perigi dan apogi adalah titik paling dekat dan paling jauh pada orbit mengelilingi bumi dan perhelion dan aphelion adalah titik paling dekat dan paling jauh pada orbit mengelilingi matahari.)

Memahami orbit

Terdapat beberapa cara yang mudah untuk memahami orbit:

Satu daya, seperti graviti, menarik objek dalam landasan yang melengkung apabila hendak terbang dalam garis lurus.

Apabila objek ditarik menghampiri jasad besar, objek itu akan jatuh ke arah jasad besar tersebut. Tetapi, jika objek tersebut mempunyai halaju yang mencukupi, ia tidak akan jatuh menghampiri jasad besar tetapi terus mengikuti landasan melengkung selamanya. Objek itu dikatakan mengorbit jasad tersebut.

Model meriam Newton amat berguna untuk memberi gambaran orbit mengelilingi planet (lihat gambarajah). Ini ialah 'eksperimen berfikir' apabila sebuah meriam atas gunung yang tinggi dapat menembak pelurunya secara mengufuk pada kelajuan yang dikehendaki. Kesan rintangan udara keatas peluru diabaikan.  Jika meriam melancarkan pelurunya dengan halaju awal rendah, trajektori peluru melengkung ke bawah dan jatuh ke tanah (A). Apabila kelajuan pelancaran bertambah, peluru akan jatuh ke tanah lebih jauh dari meriam (B). Semua pergerakan ini sebenarnya ialah "orbit" yang menunjukkan sebahagian daripada landasan eliptik mengelilingi pusat graviti, tetapi orbit tersebut terganggu dengan melanggar tanah.

Jika peluru dilancarkan dengan laju yang mencukupi, peluru tersebut tidak akan jatuh ke bumi. Untuk setiap kombinasi ketinggian dari pusat graviti dan jisim planet, akan wujud satu kelajuan pelancaran yang spesifik (tidak bergantung kepada jisim peluru, kerana dianggap mempunyai jisim yang kecil berbanding jisim bumi) yang menghasilkan orbit membulat, seperti dalam (C). Apabila kelajuan pelancaran bertambah selepas halaju di (C), orbit eliptik dihasilkan;(D).

Pada kelajuan mengufuk spesifik yang dinamai halaju lepas, orbit yang dihasilkan ialah orbit terbuka (E) yang mencapai landasan parabola. Pada kelajuan yang lebih tinggi, objek tersebut akan mengikuti trajektori hiperbola. Secara ringkasnya, kedua-dua orbit ini telah mengatasi daya graviti planet dan menuju ke angkasa lepas.

Oleh itu, orbit dapat dikelaskan secara ringkas dalam 4 kategori praktikal:

 Tiada orbit
 Trajektori suborbit
 Julat landasan eliptik terhalang
 Trajektori orbit
 Julat landasan eliptik dengan titik terendah berlawanan dengan titik pelancaran
 Landasan membulat
 Julat landasan eliptik dengan titik terendah pada titik pelancaran
 Trajektori lepas/terbuka
 Landasan parabola
 Landasan hiperbola

Apabila dalam orbit, kelajuan objek tersebut mengekalkannya dalam orbit. Jika orbit eliptikal memasuki kawasan udara tumpat, objek akan kehilangan halaju dan memasuki semula atmosfera (jatuh). Kadanglala kapal angkasa dengan sengaja meletakkan orbit dalam atmosfera, yang dikenali sebagai aerobrek

Analisis mekanik klasik dalam pergerakan orbit
Bumi mengikut orbit eliptik mengelilingi matahari, dengan matahari berada pada salah satu titik fokal elips dan bukan di pusatnya. Formula yang akan dikeluarkan boleh diguna pakai untuk orbit seperti di atas.

Kita akan mulakan dengan hukum kegravitian Newton, iaitu pecutan graviti ke pusat satu jasad berkait dengan hukum kuasa dua songsang, seperti ini:

eq 1.   

iaitu F2 ialah daya yang bertindak keatas jisim m2 disebabkan oleh jisim tarikan graviti m1 terhadap m2, G ialah pemalar graviti universal, and r jarak di antara dua pusat jisim.

Daripada hukum Newton kedua, jumlah daya yang dikenakan keatas m2 berkait dengan pecutan objek:

 eq 2.  

iaitu A2 ialah pecutan m2 disebabkan oleh daya tarikan graviti F2 dari m1 yang bertindak keatas m2.

Menggabungkan Eq 1 and 2:

 

Menyelesaikan untuk pecutan, A2:

 

iaitu  ialah parameter standard kegravitian, dalam kes ini . Difahami bahawa sistem yang dijelaskan ialah m2, oleh itu subskrip boleh digugurkan.

Kita menganggap bahawa jasad tengah adalah cukup besar supaya kita dapat membuat anggapan yang ia pegun supaya kita dapat mengabaikan kesan kecil kerelatifan am.

Pergerakan orbit kerelatifan 
Analisis mekanik orbit di atas (mekanik klasik) menganggap bahawa kesan kecil kerelatifan am seperti peleretan bingkai dan dilasi masa graviti boleh diabaikan. Kesan kerelatifan tidak dapat diabaikan apabila berdekatan jasad besar (seperti orbit Merkuri mengelilingi Matahari) atau apabila ketepatan yang ekstrem diperlukan (semasa pengiraan elemen orbit dan rujukan capaian masa untuk satelit GPS.).

Pengkhususan orbit
Enam parameter diperlukan untuk mengkhususkan orbit Kepler yang mengelilingi jasad. Contohnya, tiga nombor yang menentukan kedudukan asal jasad tersebut dan tiga nilai yang menentukan halajunya akan menerangkan satu orbit unik yang membolehkan pengiraan dilakukan untuk masa hadapan (atau silam). Namun, parameter tradisional yang digunakan sedikit berbeza.

Set elemen orbital yang digunakan secara tradisional dipanggil set unsur orbit Kepler, sempena Johannes Kepler dan hukumnya. Keenam-enam unsur orbit ialah:
 Kecondongan orbit (i)
 Longitud nod menaik (Ω)
 Argumen periapsis (ω)
 Kesipian orbit (e)
 Paksi semimajor (a)
 Min anomali  (M0).

Secara umumnya, apabila unsur orbit telah diketahui bagi satu jasad, kedudukan jasad tersebut boleh dikira pada masa hadapan dan silam. Namun secara praktikal, orbit terkesan atau terusik oleh daya lain selain graviti dari satu sumber, oleh itu unsur orbit berubah mengikut masa.

Astrodinamik
Mekanik Orbit atau astrodinamik ialah mengaplikasikan mekanik balistik dan cakerawala untuk menyelesaikan masalah berkaitan pergerakan roket dan kapal angkasa.

Pergerakan objek-objek ini biasanya dikira mengunakan hukum gerakan Newton dan Hukum kegravitain semesta Newton. Mekanik Orbit ialah ilmu yang penting dalam perekaan dan pengawalan misi. Mekanik cakerawala menganggap secara luas dinamik orbit sistem yang dibawah pengaruh graviti, termasuk kapal angkasa dan jasad astronomi seperti sistem bintang, planet, bulan dan komet. Mekanik Orbit pula mengkhususkan trajektori kapal angkasa, termasuk gerakan orbit, perubahan satah orbit dan pemindahan antara planet, serta digunakan oleh perancang misi untuk menjangkakan kesan gerakan pada orbit objek. Kerelatifan am ialah teori yang lebih tepat berbanding hukum Newton untuk mengira orbit, dan kadangkala perlu untuk ketepatan yang tinggi atau keadaan tarikan graviti tinggi (seperti orbit menghampiri Matahari).

Orbit Bumi

 Orbit Rendah Bumi (LEO): Orbit geopusat dengan altitud mencecah 2,000 km (0–1,240 batu).
 Orbit Sederhana Bumi (MEO): Orbit Geopusat altitud antara 2,000 km (1,240 batu) kepada kurang dari Orbit geosegerak pada . Orbit ini selalunya berada pada , atau , dengan tempoh orbit 12 jam."
 Kedua-dua Orbit geosegerak (GSO) dan Orbit Geopegun (GEO) ialah orbit mengelilingi Bumi menyamai tempoh Waktu ikut bintang Bumi. Kesemua orbit geosegerak dan geopegun mempunyai Paksi semimajor sebanyak . Semua orbit geopegun ialah geosegerak tetapi bukan semua orbit geosegerak ialah geopegun. Orbit geopegun berada tepat di atas khatulistiwa manakala orbit geosegerak boleh melintasi kawasan ke utara dan selatan untuk meliputi kawasan permukaan Bumi yang lebih besar. Kedua-duanya melengkapkan satu orbit lengkap setiap hari ikut bintang (relatif kepada bintang, bukan matahari).
 Orbit Tinggi Bumi: Orbit geopusat lebih dari altitud 35,786 km (22,240 miles).

Putaran segerak
Sesetengah jasad akan beredar mengelilingi jasad lain dengan masa yang sama seperti putaran mengelilingi paksinya. Ini bermakna yang hanya sebelah sahaja jasad tersebut yang dapat dilihat daripada jasad hosnya. Contohnya, sistem Bumi–Bulan dan Pluto–Kharon.

Peranan dalam evolusi teori atom 

Ketika struktur atom pertama dikaji pada awal abad ke-20, atom digambarkan sebagai sistem suria kecil yang terikat dengan Daya Coulomb. Model ini tidak selari dengan teori elektrodinamik dan model ini secara perlahan-lahan diperbaiki seiring dengan perubahan teori kuantum. Akan tetapi, masih ada istilah peninggalan "orbit" untuk menggambarkan keadaan tenaga elektron dalam mengedari nukleus atom.

Lihat Juga
 Ephemeris 
 Senarai orbit
 Orbit Molniya
 Penentuan orbit
 Penerbangan orbital
 Sistem koordinat perifokal
 Orbit kutub
 Orbit geosegerak
 Rosetta (orbit)
 Orbit rendah Bumi

Rujukan

Astronomi