از لحاظ فیزیکی اگر سنگی را در جهت افق پرتاب کنید پس از طی مسیری سهمی شکل به زمین سقوط میکند اما اگر سنگ را با سرعت ۸ کیلومتر در ثانیه پرتاب کنید این سنگ هرگز به زمین نخواهد رسید بلکه در یک مدار دایره ای بدور زمین خواهد چرخید و در هر ۹۰ دقیقه یک دور را کامل میکند. این اساس کار ماهواره ها میباشد. اگر سنگ را با سرعت بیشتری پرتاب کنید مدار دایره ای کشیده تر میشود و به صورت بیضی به دور زمین گردش خواهد کرد.
اگر سرعت پرتاب را به حد ۱۱ کیلومتر بر ثانیه برسانید این سنگ دیگر در مدار قرار نمیگیرد و از میدان جاذبه زمین فرار میکند و در فضا به پیش میرود ، این سرعت را سرعت فرار از سطح زمین میگویند . این اساس کار یک آپولو یا فضاپیما است.
بعلت اینکه حرکت در جو زمین موجب اصطکاک است ، همواره ماهواره ها را خارج از جو زمین به حرکت در می آورند. برای اینکار ابتدا ماهواره توسط موشکی به خارج از جو هدایت میشود سپس در آنجا با سرعتی معین در جهت افق در مدار قرار میگیرد و نهایتا موشک جدا میشود و به زمین باز میگردد.
سرعتی که یک ماهواره نیاز دارد تا در مدار باقی بماند به فاصله آن از زمین بستگی دارد. نزدیک به سطح زمین ماهواره باید با سرعتی معادل ۸ کیلومتر در ثانیه حرکت کند در حالی که در فاصله ۲۵۰۰۰ کیلومتری از مرکز زمین تنها نصف آن یعنی ۴ کیلومتر در ثانیه لازم است. ماه در فاصله ۴۰۰ هزار کیلومتری برای ماندن در مدار تنها به سرعتی در حدود یک کیلومتر در ثانیه نیاز دارد.
فضاپیمای کاسینی
هرچه فاصله ماهواره دورتر باشد زمان بیشتری برای کامل کردن مدارش لازم دارد.برای مثال یک ماهواره نزدیک به سطح زمین در حدود ۹۰ دقیقه طول میکشد تا مدارش را طی نماید در حالی که این مدت برای ماه ۲۷/۳ روز طول میکشد. برای ماهواره ای که در مداری دایره ای شکل در فاصله ۴۲ هزار کیلومتر از مرکز زمین حرکت میکند ، ۲۴ ساعت طول میکشد تا مدارش را کامل کند ؛ درست همان زمانی که طول میکشد زمین به دور محور خود بچرخد.بنابراین وقتی که از زمین به ماهواره نگاه کنیم ساکن و بی حرکت بنظر می آید. ماهواره های مخابراتی را در این فاصله قرار میدهند تا در هر لحظه با زمین در ارتباط باشند.
سفینه های فضایی نیز ابتدا توسط موشک از زمین دور میشوند و نهایتا با سرعت زیادی از گرانش زمین خارج میشوند. فرض کنید میخواهیم از زمین به مریخ سفر کنیم ، چنانچه موشکها دارای توان نامحدود بودند و میتوانستند تمام مدت با موتور روشن حرکت کنند در آن صورت قادر بودید تا مسیر خود به مریخ را به صورت مستقیم طی کنید. اما وضعیت این چنین نیست.
موشکهای امروزی ظرف چند دقیقه تمامی سوخت خود را مصرف میکنند و باید در همین مدت آن چنان سرعتی بدست آورند تا مابقی مسافت را بتوانند بدون توان مصرفی حرکت کنند. بنابراین آنها مجبورند مسیرهایی را دنبال کنند که طولانی تر است ولی تا حد ممکن از حداقل سوخت استفاده کنند. اگر فضاپیما در جهت حرکت زمین بدور خورشید پرتاب شود سرعت آن بعد از فرار از زمین با سرعت زمین بدور خورشید جمع میشود و فضاپیما در یک مدار بیضی شکل بدور خورشید قرار میگیرد که این مدار کشیده تر از مدار زمین است بنابراین حرکت فضاپیما منجر به دور شدن بیشتر آن از خورشید میشود.
اگر محاسبات دقیق انجام شده باشد ، وقتی که مریخ به نقطه تقاطع برسد فضاپیما وارد مدار مریخ خواهد شد.اگر فضاپیما در جهت خلاف حرکت زمین بدور خورشید پرتاب شود به مقدار سرعت زمین از سرعت فضاپیما کاسته خواهد شد و لذا فضاپیما در یک مدار کوچکتری نسبت به زمین قرار میگیرد و به طرف خورشید حرکت میکند و این امر برای سفر به سیاره زهره مناسب است.