לוויינים מעל ראשינו 

בשעה שאתם קוראים מאמר זה, אלפי גופים מלאכותיים מרחפים בחלל החיצון ומבצעים הקפות מסביב לכדור הארץ ללא הרף. הם בוחנים את כדור הארץ, מצלמים אותו, מודדים מדידות שונות הנוגעות אליו ומעבירים תשדורות אלחוטיות ממנו ובחזרה אליו.
אל דאגה, לא מדובר בפלישת העב"מים. אין אלה ספינות חלל זרות השייכות לתרבויות מתקדמות, שהגיעו אלינו הרחק מן החלל העמוק. גופים אלה הם לוויינים.
לוויין הוא גוף טבעי או מלאכותי, הנע סביב כדור הארץ, סביב כוכב לכת אחר או סביב כל גרם שמים אחר. לדוגמה, הירח הוא לוויין של כדור הארץ. זהו, כמובן לוויין טבעי. גם לכוכבי לכת אחרים קיימים לוויינים טבעיים, ולעתים במספר רב. את כוכב הלכת צדק למשל מקיפים כעשרים לוויינים כאלה.
בניגוד ללוויינים טבעיים, מייצר האדם ושולח לוויינים מלאכותיים, מעשה ידיו, מזה עשרות שנים.
היסטוריית הלויינים המלאכותיים החלה באוקטובר 1957 כאשר ברית המועצות שלחה לראשונה לחלל לוויין בשם ספוטניק 1 (משמעות המילה "ספוטניק" ברוסית היא "לוויין"). מאז, נשלחו לחלל עוד אלפי לוויינים מלאכותיים, בגדלים שונים, למטרות שונות ועל ידי מדינות שונות כמו למשל ארה"ב וצרפת. גם ישראל שייכת למועדון המצומצם של המדינות המשגרות לוויינים לחלל. הלוויין הישראלי הראשון שנשלח לחלל היה אופק 1 .
כיצד שולחים לוויין לחלל ומכניסים אותו למסלול סביב כדור הארץ?
באחת משתי שיטות.
האחת היא באמצעות טיל המשוגר מכדור הארץ. מניחים את הלוויין על ראש הטיל. הטיל נושא את הלוויין אל מחוץ לאטמוספירה ולאחר מכן מעניק לו מהירות בכיוון אופקי לפני כדור הארץ ובאופן כזה מכניס אותו למסלול סביבו.
השיטה האחרת היא שילוחו של הלוויין מתוך מעבורת החלל. מעבורת החלל היא כידוע חללית מאויישת (חללית מאויישת היא חללית הנושאת בתוכה אנשים) הנשלחת למשימות שונות בחלל. הלוויין נישא במעבורת החלל וכאשר נמצאת המעבורת בחלל ונעה במסלול סביב כדור הארץ, משחררים האסטרונאוטים את הלוויין. הלוויין מצוייד במנוע מתאים המכניס אותו למסלול הרצוי סביב כדור הארץ.
כדור הארץ מושך אליו, כידוע, כל גוף בעל מסה, גם את הלוויין כמובן. איך אם כן, נשאר הלוויין בחלל ולא מנמיך ונופל על ראשינו?
כדי להסביר זאת נשתמש בהסברו של הפיזיקאי הדגול אייזק ניוטון (1642-1727). ניוטון תיאר תותח דמיוני המצוי בשיאו של הר גבוה. התותח שולח פגזים במהירויות שונות באופן אופקי, זאת אומרת במקביל לפני הקרקע. ככל שמהירות הפגז גדולה יותר, כך ינחת הפגז במרחק גדול יותר מן ההר. כאשר מהירות הפגז מספיק גבוהה, הפגז לא ינחת עוד כלל על פני כדור הארץ אלא ימשיך ויסתובב סביבו עוד ועוד ללא הרף.
כך גם לגבי הלוויין. מעניקים לו מהירות אופקית (מהירות שכיוונה מקביל לפני כדור הארץ). הלוויין, במהירות אופקית מתאימה, לא ינחת עוד לעולם על פני הקרקע , ממש כמו הפגז בדוגמת התותח של ניוטון.
מדוע ממשיך הלוויין לנוע סביב כדור הארץ ואיננו נוחת על פניו?
פני כדור הארץ הם כדוריים ואילו היה הלוויין ממשיך בתנועה האופקית שניתנה לו, בלי לשנות את כיוונו, הם היו מתרחקים מן הלוויין כל העת, עקב עקמומיותם. אולם כדור הארץ מושך אליו את הלוויין ללא הרף ומשיכה זו גורמת להטיית כיוונו כלפי מטה, אל פני כדור הארץ. הלוויין נופל למעשה אל כדור הארץ. יש כאן שילוב של שני גורמים מנוגדים. מצד אחד, אילו המשיך הלוויין באותו הכיוון, היו פני כדור הארץ מתרחקים ממנו, עקב עקמומיותם. מצד שני הלוויין נמשך על ידי כדור הארץ ומשיכה זו מטה את כיוונו כלפי מטה. לכן, כאשר הלוויין נע במהירות אופקית מתאימה, הוא יישאר כל העת במרחק קבוע מפני כדור הארץ. הלוויין ימשיך להקיף את כדור הארץ ללא הרף.
עקרונית, לוויין אכן צריך להקיף את כדור הארץ ללא הגבלת זמן אולם לוויין המצוי בריחוק קטן מפני כדור הארץ, לא יותר מכמה מאות קילומטרים, הולך ומתקרב בהדרגה לכדור הארץ ולבסוף פוגע בו.
מדוע זה קורה?
האטמוספירה, שכבת האוויר המקיפה את כדור הארץ, איננה מסתיימת באופן חד, במרחק מסויים מכדור הארץ, אלא הולכת ונעשית דלילה יותר ויותר בהדרגה. גם במרחק של כמה מאות קילומטרים עדיין קיימת שכבה דלילה של אוויר. לוויין, הנע במסלול נמוך מעל פני כדור הארץ, מתחכך בזמן תנועתו באוויר זה. כתוצאה מכך, מואטת תנועתו. כל האטה בתנועתו גורמת להתקרבות נוספת לכדור הארץ. ככל שהוא קרוב יותר הוא נע בשכבת אוויר צפופה יותר וזו גורמת להאטתו בקצב מהיר יותר. כאשר הוא נע בשכבות הסמוכות ביותר לכדור הארץ, גורם החיכוך להתחממות עצומה שלו עד אלפי מעלות צלזיוס. לבסוף פוגע הלוויין בכדור הארץ.
הלוויינים משמשים כיום למטרות רבות ומגוונות וחיוניים לקיומם של החיים המודרניים.
אחד השימושים הנפוצים ביותר שלהם הוא להעברת שידורי טלוויזיה בין מקומות מרוחקים מאד על פני כדור הארץ כגון ממדינות אירופה לישראל. קרינת הטלוויזיה שבאמצעותה מועברים שידורי הטלוויזיה מתפשטת בקווים ישרים. אם משדרים שידור טלוויזיה ממבנה בגובה רגיל, ייחסמו השידורים לאחר שיעברו כמה עשרות קילומטרים לכל היותר. מדוע? משום שפני כדור הארץ הם כדוריים. השידורים יתפשטו מן המבנה עד שייעצרו על ידי פני כדור הארץ הקמורים. ניתן להגדיל את טווח השידור על ידי בניית מבנים בגובה גדול יותר ויותר אך ישנו גבול מעשי לגובהו של מבנה על פני כדור הארץ. המבנה הגבוה ביותר הקיים כיום על פני כדור הארץ איננו עולה על חצי קילומטר.
הלוויינים, לעומת זאת, משייטים בגובה של מאות קילומטרים, לפחות, ולעתים אף אלפי ועשרות אלפי קילומטרים. גובה זה מאפשר להם לקלוט שידורים ממקום אחד על פני כדור הארץ ולהעבירם למקום אחר על פני כדור הארץ, המצוי במרחק אלפי קילומטרים ממנו.
שימוש נוסף ללוויינים הוא לעריכת תחזיות מזג אוויר. ניתן לצלם באמצעותם גושי עננים נעים, למדוד טמפרטורות וכו" ובאמצעות המידע לערוך תחזית מזג אוויר מדוייקת וארוכת טווח.
לוויינים מגוייסים גם לריגול צבאי. הם מאפשרים צילום מתקנים צבאיים, תנועות של כוחות צבא ועוד.
לוויינים הם אמצעי חשוב לתצפיות אסטרונומיות. לוויין המרחף בחלל, מחוץ לאטמוספירה, משוחרר מהפרעותיה. טלסקופ החלל על שם האבל הוא דוגמה מצויינת לשימוש אסטרונומי של לוויין מסוג זה. באמצעות הטלסקופ מתקבלות תמונות מרהיבות ומדוייקות מאד של עצמים שונים בחלל.