Una nave espacial viaja a X unidades por hora. Pero en relación a qué exactamente? ¿Depende de la órbita? ¿Cómo?

Todas sus preocupaciones son perfectamente válidas: dar solo un número no dice mucho. Por lo tanto, en todas las publicaciones adecuadas, se debe mencionar el sistema de referencia.

Por lo general, la referencia es el cuerpo que influye principalmente en la nave espacial. Es decir, en una órbita terrestre es el centro de la Tierra, en una órbita lunar, la Luna. Para las sondas interplanetarias en tránsito, suele ser el centro del Sol. Cerca del despegue y el aterrizaje, por lo general se cambia a un marco de referencia fijo en la superficie del planeta. Para la mayoría de los cálculos, lo mejor es tener un sistema de coordenadas fijo y sin aceleración (o al menos uno con una aceleración insignificante, como el centro de la Tierra con respecto a LEO)

En otros casos, pero por lo general no cuando se habla de velocidad, el sistema de referencia puede ser rotatorio; por ejemplo, el diagrama típico en forma de 8 de la trayectoria de las misiones Apolo se dibuja en un sistema de coordenadas centrado en la Tierra, pero rotando con la Luna. .

Esta es una respuesta complementaria además de la excelente respuesta de @asdfex, con un intento de explicar las cosas en términos simplificados, ya que, a juzgar por los comentarios, OP todavía se confunde con la órbita geoestacionaria.

Un objeto colocado en órbita geoestacionaria (la órbita se encuentra en el plano ecuatorial de la Tierra) parecería inmóvil para el observador terrestre.

Si estoy en una órbita geoestacionaria, me muevo 0 unidades/hora en relación con el suelo. 

Esto es cierto sólo cuando las "unidades" son unidades angulares, es decir, grados o radianes. Esto significa que el observador en el suelo y el objeto en la OSG giran alrededor del centro de la Tierra con la misma velocidad angular .

Cuando las "unidades" son unidades de distancia, es decir, metros o millas, etc., la afirmación anterior no es cierta, porque las velocidades lineales del observador en el suelo y el objeto en la OSG son diferentes debido al hecho de que sus radios correspondientes son diferentes.

Supongo que aquí es de donde podría estar viniendo la confusión.

Ahora, para abordar la velocidad relativa terrestre/LEO/OSG:

Si camino, el suelo está estacionario y me muevo X unidades/hora en relación con el suelo.

Si estoy en una órbita terrestre baja, todavía me muevo X unidades/hora en relación con el suelo, solo que es una X mucho más grande.

El concepto erróneo clave aquí (comparación de manzanas con naranjas) radica en el hecho de que cuando una persona camina sobre el suelo, no está en órbita , mientras que en LEO sí está en órbita . Esta es la razón por la que la velocidad lineal relativa al suelo parece mucho mayor.

Para la discusión a continuación, supongamos que todo sucede en el plano ecuatorial, las órbitas son circulares y progresivas, sin perturbaciones, arrastre, viento solar, etc. y todos los números son aproximados/redondeados.

• velocidad de avance La Tierra da una vuelta completa alrededor de su eje en 1.436 minutos, por lo que la velocidad de rotación de la Tierra es de 0,25 grados/min . Esto hace que la velocidad lineal de un observador en el ecuador (en un radio de 6371 km) sea igual a 460 m/s (1029 mph)

• a) Orbitando a nivel del suelo . Suponiendo una Tierra perfectamente esférica sin colinas/montañas y ausencia de atmósfera (para que no haya resistencia), para orbitar la Tierra a 1 metro sobre su superficie, uno necesita moverse con una velocidad de rotación mucho más alta en comparación con la Tierra: 4,27 grados/min. (17 veces más rápido que la tierra). Esto corresponde a una velocidad lineal de 7910 m/s (17 694 mph).

La velocidad orbital relativa de la persona que orbita "al nivel del suelo" con respecto a otro observador en el suelo es 4,27 - 0,25 = 4,02 grados/min .

La velocidad lineal relativa es 7910 - 460 = 7450 m/s .

• b) Orbitando en LEO . Supongamos una altitud de 400 km. La velocidad angular orbital es de 3,66 grados/min, la velocidad lineal es de 7672 m/s (17 162 mph).

La velocidad angular relativa es 3,66 - 0,25 = 3,41 grados/min ,

La velocidad lineal relativa es 7672 - 460 = 7212 m/s .

• c) Orbitando en la OSG . La altitud para esta órbita se define como 35.786 km. La velocidad angular orbital es de 0,25 grados/min, la velocidad lineal es de 3075 m/s (6879 mph)

La velocidad angular relativa es 0,25 - 0,25 = 0 grados/min ,

La velocidad lineal relativa es 3075 - 460 = 2615 m/s .

Si el radio orbital supera el radio OSG, el objeto en esa órbita parecería (para el observador en el suelo) moverse "hacia atrás", mientras que un objeto en LEO parecería moverse "hacia adelante" (porque en términos angulares, la Tierra giraría más rápido que el objeto en la órbita superior a la OSG), aunque los objetos en ambas órbitas (LEO y superior a la OSG) y la Tierra giran en la misma dirección. Por lo tanto, desde el punto de vista del observador en el suelo, la comparación de las velocidades lineales relativas al suelo (entre LEO, OSG y la órbita más allá de la OSG) no es tan relevante como la comparación de las velocidades angulares.

PD El movimiento de una persona en la OSG en relación con una persona en tierra se puede describir mediante la siguiente analogía muy simplificada:

Imagine una "persona A" sentada en el asiento de un tiovivo; Considere otra "persona B" de pie justo en el centro del tiovivo (por lo tanto, girando con él) con el brazo levantado horizontalmente y señalando con el dedo a la persona en el asiento. La persona A es analogía a una persona en la órbita OSG, y el dedo de la persona B se convierte en analogía a un observador en el ecuador de la Tierra.

Mientras el tiovivo gira, el dedo B de la persona y la persona A (en el asiento) parecen inmóviles entre sí, pero en términos de distancia, durante un tiempo dado de unos segundos el dedo se mueve unos centímetros, mientras que el la persona A se mueve unos pocos pies.

La velocidad es de hecho relativa. Depende del sistema de coordenadas en referencia. Si alguien dice que la velocidad es X m/s alrededor de la Tierra, será incorrecto. Sin embargo, implícitamente podemos suponer que están hablando de la norma de velocidad en el marco inercial, tal vez J2000 o ECI .

Pero a veces también es necesario discutir la velocidad relativa al suelo, por ejemplo, cuando SpaceX realiza su aterrizaje, ¡la velocidad de inercia terminal debe ser de alrededor de ~ 500 m/s! Esto es para igualar la velocidad de avance. Entonces, aterrizar en un barco en movimiento no es más que una versión extendida de aterrizar en el suelo en movimiento.

Ahora, la pregunta interesante es cuando digamos que la nave espacial deja la órbita terrestre y entra en órbita alrededor del sol, la referencia se cambia al baricentro del sistema solar o al marco de coordenadas inercial del cuerpo celeste objetivo.

Ahora cuando alguien dice que helios 2 alcanzó los 70 km/s. Uno debe tener en cuenta que 30 km/s (velocidad orbital de la Tierra alrededor del sol) es solo porque comenzó desde la tierra