W codziennym świecie grawitacja jest siłą, która sprawia, że przedmioty spadają w dół. W astronomii grawitacja jest również siłą, która powoduje, że planety poruszają się po orbitach zbliżonych do kołowych wokół gwiazd. Na pierwszy rzut oka nie jest oczywiste, w jaki sposób ta sama siła może powodować tak pozornie różne zachowania. Aby zobaczyć, dlaczego tak jest, konieczne jest zrozumienie, jak siła zewnętrzna wpływa na poruszający się obiekt.
Siła grawitacji
Grawitacja to siła działająca między dwoma dowolnymi obiektami. Jeśli jeden obiekt jest znacznie masywniejszy od drugiego, grawitacja przyciągnie mniej masywny obiekt w kierunku masywniejszego. Na przykład planeta doświadczy siły ciągnącej ją w kierunku gwiazdy. W hipotetycznym przypadku, gdy oba obiekty są początkowo nieruchome względem siebie, planeta zacznie poruszać się w kierunku gwiazdy. Innymi słowy, spadnie w kierunku gwiazdy, tak jak sugeruje codzienne doświadczenie grawitacji.
Efekt ruchu prostopadłego
Kluczem do zrozumienia ruchu orbitalnego jest uświadomienie sobie, że planeta nigdy nie jest nieruchoma względem swojej gwiazdy, ale porusza się z dużą prędkością. Na przykład Ziemia porusza się z prędkością około 108 000 kilometrów na godzinę (67 000 mil na godzinę) po orbicie wokół Słońca. Kierunek tego ruchu jest zasadniczo prostopadły do kierunku grawitacji, która działa wzdłuż linii od planety do Słońca. Podczas gdy grawitacja przyciąga planetę w kierunku gwiazdy, jej duża prostopadła prędkość przenosi ją na boki wokół gwiazdy. Rezultatem jest orbita.
Siła dośrodkowa
W fizyce każdy rodzaj ruchu kołowego można opisać za pomocą siły dośrodkowej – siły działającej w kierunku środka. W przypadku orbity siłę tę zapewnia grawitacja. Bardziej znanym przykładem jest obiekt wirujący na końcu sznurka. W tym przypadku siła dośrodkowa pochodzi z samej struny. Obiekt jest przyciągany do środka, ale jego prostopadła prędkość sprawia, że porusza się po okręgu. W zakresie fizyki podstawowej sytuacja nie różni się od przypadku planety krążącej wokół gwiazdy.
Orbity kołowe i niekołowe
Większość planet porusza się po orbitach w przybliżeniu kołowych, co jest konsekwencją sposobu, w jaki powstają układy planetarne. Istotną cechą orbity kołowej jest to, że kierunek ruchu jest zawsze prostopadły do linii łączącej planetę z gwiazdą centralną. Tak jednak nie musi być. Na przykład komety często poruszają się po orbitach niekołowych, które są bardzo wydłużone. Takie orbity wciąż można wyjaśnić grawitacją, chociaż teoria jest bardziej skomplikowana niż w przypadku orbit kołowych.