miniatura|Un satèl·lit orbitant la Terra té una velocitat tangent i una acceleració cap endins. miniatura|Dos cossos de diferent massa orbitant un baricentre comú. Les mides relatives i el tipus d'òrbita són similars al sistema Plutó-Caront. En física, lòrbita és el camí que un objecte recorre a l'espai al voltant d'un altre objecte, sota la influència d'una força centrípeta. En particular, especialment en les ciències de l'espai (astronomia, astrofísica i astronàutica), hom s'acostuma a referir als camins recorreguts pels cossos celestes sota influència de la gravetat.The Space Place :: What's a Barycenterorbit (astronomy) – Britannica Online Encyclopedia
Dos cossos en mútua atracció gravitatòria descriuen òrbites el·líptiques, parabòliques o hiperbòliques seguint les lleis de Kepler, que es poden derivar a partir de la llei de la gravitació de Newton.Kuhn, The Copernican Revolution, p. 238, 246–252
Forma de l'òrbita La majoria dels cossos celestes segueix una òrbita al voltant d'un altre cos molt més massiu. En una primera aproximació, es pot considerar que el cos en òrbita es troba sotmès únicament a la gravetat del cos al voltant del qual orbita. En aquesta situació, l'òrbita pren la forma d'una corba cònica (és a dir una el·lipse, una paràbola o una hipèrbola), situant-se el cos massiu en un dels focus de la corba.
Això és una conseqüència matemàtica del fet que l'atracció gravitatòria entre dos cossos és proporcional a la inversa del quadrat de la distància que els separa.
El fet de presentar l'una o l'altra d'aquestes formes depèn de lenergia orbital específica del cos en òrbita. Aquesta quantitat representa l'energia mecànica per unitat de massa del cos (és a dir, la suma de la seva energia cinètica i la seva energia potencial). L'energia orbital és constant durant tota l'òrbita i s'expressa com:
On: K és l'energia orbital V és la velocitat del cos en òrbita (en mòdul) µ és la constant gravitacional del cos massiu al voltant del qual s'està orbitant. És igual al producte de la constant de la gravitació universal (G) amb la massa d'aquest cos (M), és a dir:
En el cas de la Terra µ val 398.600 km³/s² i r és la distància entre els dos cossos
La forma de l'òrbita està determinada per l'energia orbital. Si l'energia orbital és negativa (K<0) l'òrbita serà el·líptica, si és nul·la (K=0) l'òrbita serà parabòlica i si és positiva (K>0) l'òrbita serà hiperbòlica.
En el sistema solar la immensa majoria dels cossos segueixen òrbites el·líptiques. Només uns pocs segueixen òrbites hiperbòliques i en aquest cas acostumen a ser cometes o sondes artificials. Les òrbites parabòliques constitueixen un cas al límit i com a tal només existeixen teòricament. A la realitat, un cos en una òrbita parabòlica estarà sotmès a pertorbacions que faran que l'òrbita esdevingui el·líptica o hiperbòlica.
Òrbita el·líptica miniatura|Animació mostrant el moviment d'un cos (verd) en òrbita el·líptica d'excentricitat 0.7 al voltant d'un cos central (blau). També es mostren el radi del periàpside (rp) i el radi del apoàpside (ra). Si l'energia orbital és negativa, l'òrbita pren la forma d'una el·lipse, amb el cos massiu situat sobre un dels seus focus. Pel fet de ser una corba tancada, el moviment d'un cos en una òrbita el·líptica és periòdic (es repeteix cíclicament). El temps que el cos en òrbita triga a recórrer l'òrbita completa s'anomena període de revolució o període de l'òrbita. Està definit per l'expressió següent:
On a és el semieix major de l'òrbita. Dos altres paràmetres importants per aquest tipus d'òrbita són el radi de l'apoàpside i el radi del periàpside: el radi de l'apoàpside és la distància entre el centre del cos al voltant del qual s'està orbitant i el punt més allunyat de l'òrbita:
el radi del periàpside és la distància entre el centre del cos al voltant del qual s'està orbitant i el punt més proper de l'òrbita:
On e és l'excentricitat de l'òrbita.
Les òrbites circulars (amb forma de cercle) són un tipus particular d'òrbites el·líptiques amb excentricitat nul·la (e=0).
Òrbita parabòlica
miniatura|Animació mostrant el moviment d'un cos (verd) en òrbita parabòlica al voltant d'un cos central (blau). També es mostra el radi del periàpside (rp). Si l'energia orbital és nul·la, l'òrbita pren la forma d'una paràbola, amb el cos massiu situat al focus d'aquesta. Es tracta d'una òrbita oberta, el cos en òrbita tendeix a allunyar-se indefinidament del cos central. En aquest tipus d'òrbita, el fet de tenir energia orbital nul·la es tradueix per un moviment del cos en òrbita sempre a la velocitat d'escapament corresponent a la posició a la que es troba. Una altra interpretació d'aquest fet és que el cos tindrà una velocitat nul·la en assolir l'infinit.
La forma d'una òrbita parabòlica es troba perfectament definida amb només un paràmetre, el radi del periàpside rp. La velocitat del cos en qualsevol punt d'una òrbita parabòlica es calcula fàcilment com:
Òrbita hiperbòlica miniatura|Animació mostrant el moviment d'un cos (verd) en òrbita hiperbòlica d'excentricitat 1.4 al voltant d'un cos central (blau). També es mostren el radi del periàpside (rp) el semieix major (a) i l'angle de divergència (υ∞). Si l'energia orbital és positiva, l'òrbita pren la forma d'una hipèrbola, amb el cos massiu situat al focus d'aquesta. Com en el cas de l'òrbita parabòlica, es tracta d'una òrbita oberta, en la qual el cos orbital s'allunya indefinidament del cos central. A diferència d'aquesta, però, el cos orbital es mou sempre a una velocitat superior a la velocitat d'escapament. La velocitat tampoc s'anul·la a l'infinit, sinó que tendeix al valor següent:
De la mateixa manera que les òrbites el·líptiques, les òrbites hiperbòliques presenten un cert semieix major (a) i una certa excentricitat (e). Per a aquest tipus d'òrbita, són importants els paràmetres següents: el radi del periàpside, la distància entre el cos massiu al voltant del qual s'està orbitant i el punt de l'òrbita que li és més proper. Es troba amb l'expressió següent:
langle de divergència, l'angle que pren la trajectòria en allunyar-se del cos central. S'expressa com:
Determinació de l'òrbita En astronomia i astronàutica, un dels problemes principals en la pràctica d'aquestes ciències és conèixer precisament l'òrbita del cos que s'està estudiant. El coneixement de l'òrbita és necessari per determinar la posició present i futura del cos, i així poder trobar-lo entre la infinitat d'objectes presents a l'esfera celeste. També proporciona informació sobre la natura de l'objecte i la regió de l'espai de la qual prové. En astronàutica, l'òrbita del satèl·lit artificial o sonda interplanetària és un dels paràmetres més importants d'una missió espacial.
La posició d'un cos en una òrbita el·líptica (el tipus més comú) queda perfectament determinada per sis quantitats anomenades elements orbitals. Aquestes quantitats defineixen la forma de l'el·lipse i la seva posició i orientació a l'espai respecte a un sistema de referència amb origen situat al centre del cos central. Per exemple, els elements orbitals d'un cos que orbiti al voltant del Sol estaran definits respecte al centre del Sol, un cos que orbiti la Terra tindrà els elements orbitals referits respecte al centre de la Terra, etc.
miniatura|Diagrama mostrant el elements orbitals d'una òrbita el·líptica al voltant del Sol. El pla de l'òrbita (P1) es mostra en blau cel i el pla de la eclíptica (P2) en verd. Els elements orbitals d'una òrbita el·líptica que s'empren normalment són: el semieix major (a): defineix la mida de l'el·lipse. lexcentricitat (e): defineix la forma de l'el·lipse. la inclinació (i): es defineix com l'angle entre el pla de l'el·lipse i un pla definit pel sistema de referència. En el cas d'òrbites al voltant del Sol s'utilitza el pla de l'eclíptica com referència, alhora que per òrbites al voltant d'un planeta s'acostuma a emprar l'equador celeste d'aquest. la longitud del node ascendent (Ω): es defineix com l'angle entre el node ascendent de l'òrbita i el meridià de referència definit pel punt vernal. largument del periàpside (ω): es defineix com l'angle, mesurat dins del pla de l'òrbita, entre el node ascendent i el periàpside. lanomalia mitjana (M): representa la posició dins l'òrbita del cos respecte al periàpside i correspon a la fracció del període orbital transcorregut des del darrer pas pel periàpside expressada com a angle. Només coincideix amb la posició angular del cos en el cas d'una òrbita circular (si bé en aquest cas no hi ha periàpside i mesuraríem l'angle des d'una direcció arbitrària).
Històricament, l'única manera de determinar l'òrbita d'un cos celeste era mesurar el seu moviment respecte als estels fixes. El temps necessari ha de ser prou llarg perquè el cos es mogui d'una manera apreciable per la volta celeste i es puguin acumular prou mesures per determinar els seus elements orbitals. Així, quantes més mesures s'hagin acumulat més precisa serà l'estimació de l'òrbita. Aquesta tasca, però, pot ser complicada per als cossos llunyans, que típicament es mouen a velocitats aparents força febles, i, en conseqüència, pot passar un cert temps entre el seu descobriment i la determinació de la seva òrbita.
El progrés tecnològic, per la seva banda, ha contribuït a millorar el coneixement de les òrbites dels cossos celestes. D'entrada, en els cossos artificials es pot utilitzar l'efecte Doppler de les seves emissions de ràdio per poder conèixer la velocitat radial de l'objecte respecte a la Terra, informació que facilita molt la determinació de l'òrbita. A més, en el cas dels satèl·lits artificials en òrbita baixa es poden utilitzar mitjans de radiolocalització precisos per conèixer l'òrbita del satèl·lit (com per exemple el GPS). En els cossos naturals propers s'han utilitzat els sistemes de detecció per ones de ràdio (Radar) o llum (Lidar) per mesurar les seves òrbites. El cas més conegut és la mesura de l'òrbita de la Lluna per làser gràcies als miralls que els astronautes del programa Apollo hi van deixar en el transcurs de les seves missions lunars.
Pertorbacions orbitals Cal no oblidar, però, que l'òrbita d'un cos no pot ser coneguda amb precisió infinita. Considerar l'òrbita com el·líptica i calcular els seus elements orbitals és una aproximació vàlida en la majoria de casos, però estem oblidant que l'atracció gravitatòria del cos central no és l'única força que actua sobre el cos en òrbita. Les altres forces (anomenades pertorbacions) modifiquen la forma de l'òrbita, de manera que aquesta deixa de pertànyer a una de les tres categories citades anteriorment (el·lipse, paràbola o hipèrbola).
En part perquè la força de les pertorbacions no es coneix perfectament, en part perquè el moviment orbital pot ser força complex (fins i tot pot arribar a ser caòtic), la posició futura del cos en òrbita no es pot predir amb exactitud a llarg termini. Això s'aplica especialment als cossos petits (asteroides, cometes, satèl·lits artificials) que com que tenen menys inèrcia es veuen més afectats per les pertorbacions.
La natura de les diverses pertorbacions pot ser força variada, aquí només citarem les més conegudes: La gravetat d'altres cossos celestes: És la pertorbació dominant en el sistema solar, on la gravetat dels planetes influencia l'òrbita al voltant del Sol dels cossos petits i dels mateixos planetes entre si. El moviment de dos cossos sota la influència de la gravetat mútua es pot predir amb facilitat, però el moviment mutu de tres i més cossos és un problema matemàtic irresoluble. En el cas del sistema solar, la posició dels cossos no es pot predir amb exactitud després d'un temps encara que es conegui la posició actual dels planetes entre si, i fins i tot en el cossos petits el moviment pot ser caòtic.