卫星不是“没有重力”，它一直在向地球自由落体，只是同时具有足够的横向速度。引力改变它的速度方向，让下落形成轨道。
1. Planetary motion
质量 \(m\) 围绕近似固定的中心质量 \(M\) 做半径 \(r\) 的圆轨道运动时，引力提供全部向心力：
\[\begin{gathered} \frac{GMm}{r^2}=\frac{mv^2}{r}, \\ v=\sqrt{\frac{GM}{r}}. \end{gathered}\]
\(r\) 从中心量起，不是离地高度。卫星质量约去，轨道越大，圆轨道速率越小。对于两质量都不能忽略的情况，两者围绕共同质心运动，相对运动的轨道关系应使用总质量 \(M+m\)。
椭圆轨道中速度随位置变化，不能处处使用圆轨道速率；中心引力无切向于连线的力矩，物体接近中心时通常运动得更快。这个规律将在角动量单元解释。
2. Orbital period
把圆周路程 \(2\pi r\) 除以轨道速率，就得到
\[\begin{gathered} T=2\pi\sqrt{\frac{r^3}{GM}}, \\ T^2=\frac{4\pi^2}{GM}r^3. \end{gathered}\]
围绕同一中心质量时，\(T^2\) 与 \(r^3\) 成正比。Kepler's third law 开普勒第三定律把这个关系推广到椭圆轨道，使用半长轴 \(a\) 代替圆的半径。比较不同中心天体的轨道时，比例常数也会改变。
同步周期并不单独保证卫星看起来停在地面上空；地球静止轨道还要求赤道平面、圆轨道和与地球相同的转向。周期把运动快慢联系到引力，能量则说明轨道为何是束缚的。
3. Orbital energies
圆轨道中，动能、引力势能和总机械能为
\[\begin{gathered} K=\frac{GMm}{2r}, \\ U=-\frac{GMm}{r}, \\ E=-\frac{GMm}{2r}. \end{gathered}\]
总能量为负表示束缚轨道。升到更大圆轨道时，势能增加、动能减少，但总能量增加，因此需要输入能量；“轨道速率更小”不等于“不用做功”。椭圆轨道的总能量为 \(E=-GMm/(2a)\)。
若忽略阻力和其他天体，在半径 \(r\) 处恰能到无限远且最终速率为零，则初机械能为零，escape speed 逃逸速率为 \(v_{\mathrm{esc}}=\sqrt{2GM/r}\)。这与圆轨道速率相差 \(\sqrt2\)。能量能判断束缚或逃逸，方向与几何仍需角动量补充；下一单元系统地建立转动语言。