كيف تدور الاقمار الصناعية حول الارض ؟.. وكيف تبقى في الفضاء
نبذة عن الاقمار الصناعية حول الأرض
القمر الصناعي هو قمر أو كوكب أو آلة تدور حول كوكب أو نجم، فعلى سبيل المثال، فإن الأرض يعتبر قمر صناعي لأنها تدور حول الشمس.
وبالمثل، فإن
القمر
هو قمر صناعي لأنه يدور حول الأرض، وعادة، وتشير كلمة “قمر صناعي” إلى آلة يتم إطلاقها في الفضاء وتتحرك حول الأرض أو أي جسم آخر في الفضاء، وبالطبع قد قابلت بعض المواقع التي تبدأ بعنوان
شاهد منزلك من القمر الصناعي بوضوح ودقة شديدة
، والتي تساعدك على اكتشاف مكان منزلك .
فالأرض والقمر مثالان على الأقمار الصناعية الطبيعية، فالآلاف من الأقمار الصناعية التي من صنع الإنسان، سوف تدور حول الأرض.
ومنه قد يلتقط البعض صورًا للكوكب، والتي تساعد خبراء الأرصاد الجوية على التنبؤ بالطقس وتتبع الأعاصير، ويلتقط البعض صورًا لكواكب أخرى، أو الشمس، أو الثقوب السوداء، أو المادة المظلمة، أو
المجرات
البعيدة. [1]
كيف تدور الاقمار الصناعية حول الارض
فكر فيما يحدث عندما ترمي الكرة، تخيل أنك تقف في ميدان كبير وترمي كرة بيسبول بأقصى ما تستطيع، مثل الرامي، فقد تقطع الكرة مسافة حوالي 100 قدم (30 مترًا) ثم تصطدم بالأرض، ومنه سوف تضع الكرة في المدار، مع العلم أن مدار الكرة قصير جدًا! [2]
والشيء الوحيد الذي يلهم ذلك المثال هو مقاومة الهواء، لذا تخيل أنك أخذت هذا المدفع إلى القمر وركبته على قمة أعلى جبل.
وأن القمر ليس له غلاف جوي وهو محاط تمامًا بفراغ الفضاء، فإذا قمت بضبط سرعة القذيفة بشكل صحيح وأطلقت المدفع، فإن القذيفة ستتبع منحنى القمر بشكل مثالي.
ومنه سوف ينخفض بنفس معدل سقوط منحنى القمر بعيدًا عنه، لذلك لن يصطدم بالأرض أبدًا، وفي النهاية، سوف ينحني على طول الطريق حول القمر ويصطدم مباشرة بمؤخرة المدفع، على سطح القمر.
ويمكن أن يكون لديك بالفعل أقمار صناعية في مدارات منخفضة للغاية من هذا القبيل، والتي قد تقع على بعد ميل أو ميلين فقط من الأرض لتجنب الجبال، لهذا السبب فإن هناك عدد كبير من
أنواع مدارات الأقمار الصناعية
من حولنا.
ولفهم كيفية دوران القمر الصناعي حول الأرض، من المهم أن نفهم ما الذي يستلزمه المدار، فقد كان “يوهان كبلر” هو أول من وصف بدقة الشكل الرياضي لمدارات الكواكب.
وفي حين ذلك كان يُعتقد أن مدارات الكواكب حول الشمس والقمر حول الأرض دائرية تمامًا، وقد تعثر كبلر في المفهوم .
وذلك من أجل أن يبقى
الجسم
في مدار حول الأرض، يجب أن يكون لديه سرعة كافية لتتبع مساره، وهذا صحيح بالنسبة للقمر الطبيعي كما ينطبق على القمر الصناعي.
ومن اكتشاف كبلر، تمكن العلماء أيضًا من استنتاج أنه كلما اقترب القمر الصناعي من الجسم، زادت قوة الجذب، وبالتالي يجب أن يسافر بشكل أسرع من أجل الحفاظ على المدار.
مفاهيم الجاذبية والمدارات
تم تطوير مفاهيم الجاذبية والمدارات على مدى قرون من قبل شخصيات أسطورية في العلم، بما في ذلك جاليليو جاليلي ويوهانس كيبلر وإسحاق نيوتن وألبرت أينشتاين.
ومنه تُستخدم الأقمار الصناعية في المدار بشكل روتيني للاتصالات والتصوير والملاحة، ومع ذلك لا يفهم الكثير من الناس كيف تبقى هذه الأقمار الصناعية في الفضاء:
الذهاب جانبياً
من المفاهيم الخاطئة الشائعة حول
السفر
إلى الفضاء وانعدام
الوزن
أنها ناتجة عن غياب الجاذبية، بينما يتناقص سحب الجاذبية من الأرض كلما ذهب المرء بعيدًا في الفضاء، فإنه لا يختفي تمامًا أبدًا، فهي تشبه ترك كرة على مسافة 100000 كيلومتر فوق الأرض ثم تركها تسقط تدريجياً.
كيف تمنع الأقمار الصناعية والأقمار نفسها من الانهيار أو السقوط؟
بالذهاب جانبيًا، فقد استطاع نيوتن إنشاء تجربة فكرية متصدعة، لتوضيح حركة الأقمار الصناعية، من خلال اختراع مدفع.
فعندما تطلق مدفعًا أفقيًا على الأرض، فإن كرة المدفع تقطع مسافة ما عندما تسقط على الأرض، وايضاً أطلق كرة المدفع أسرع من المدفع و منه ستنتقل أكثر حول الأرض قبل أن تتحطم، وبعدها سأل نيوتن نفسه سؤال، واستطاع الرد من خلال التجربة وهو :-
ماذا لو تمكنت من إطلاق كرة المدفع بسرعة لا تصدق، وتبلغ 8 كيلومترات في الثانية؟
لاحظ أن كرة المدفع ستتبع انحناء الأرض، ويتم سحبها نحو الأرض عن طريق الجاذبية ولكنها لا تصل إلى الأرض أبدًا.
وسيكون ذلك في تجربة نيوتن الفكرية، مع عدم وجود مقاومة للهواء ومدفع قوي سحريًا.
الذهاب إلى أعلى
وعندما تبتعد المركبة الفضائية عن الأرض، فسوف تبدأ في التباطؤ، رأسياً وأفقياً (بسبب الحفاظ على الزخم الزاوي)، وفي النهاية سيصل إلى ذروة الارتفاع وسيعود نحو الأرض.
وتنعكس العملية الآن، حيث تلتقط المركبة الفضائية السرعة حتى تصل إلى أدنى ارتفاع وتسمى (نقطة الحضيض)، وتتكرر العملية بعد ذلك، حيث تقوم المركبة الفضائية بتتبع
القطع الناقص
حول الأرض.
البقاء ساكنا
بينما تنطلق بعض الأقمار الصناعية حول
العالم
في 90 دقيقة، لا يبدو أن البعض الآخر يتحرك على الإطلاق، فيبدو أن الأقمار الصناعية الخاصة بالطقس والتلفزيون تحوم فوق خط الاستواء.
وهذه الأقمار الصناعية في مدارات ثابتة بالنسبة للأرض، عندما يدور أحد المدارات عن الأرض، سوف تقل السرعة المطلوبة للبقاء في المدار ويزداد
الوقت
اللازم لإكمال المدار.
يمر عابرا
يمكننا في الواقع رؤية أقمار صناعية تمر في السماء قبل الفجر وبعد الغسق، لأنها تعكس ضوء الشمس، وتتبع بعض الأقمار الصناعية دوران الأرض وتتحرك من الغرب إلى الشرق، ولدى البعض الآخر مدارات تأخذهم فوق القطبين، ويسافرون من الشمال إلى الجنوب أو من الجنوب إلى الشمال.
وفي الخلاصة أن الأقمار الصناعية تمر بصمت في السماء، وتستغرق بضع دقائق للانتقال من الأفق إلى الأفق، أما بالنسبة لنا، يبدو مرورهم هادئًا تمامًا، على الرغم من أنهم يسافرون عدة كيلومترات كل ثانية على ارتفاعات مئات الكيلومترات.
كيف تبقى الأقمار الصناعية في الفضاء؟
مما لا شك فيه، أن القمر الصناعي هو أعجوبة
التكنولوجيا
والهندسة الحديثة، والشيء الوحيد الذي يمكن مقارنته بهذا الإنجاز من الناحية التكنولوجية هو
المعرفة
العلمية التي تدخل في وضع واحد في مدار حول الأرض ومنه الاحتفاظ به مدى الحياه.
فعليك أن تضع في اعتبارك ما يحتاج العلماء إلى فهمه لتحقيق ذلك الثبات في الفضاء، وبعد ذلك يأتي فهم الجاذبية نفسها.
حيث تمتلك جميع الأجسام مجال جاذبية خاص بها، ولكن فقط في حالة الأجسام الكبيرة بشكل خاص (مثل الكواكب) يتم الشعور بهذه القوة.
أما في حالة الأرض، تم
حساب
قوة الجاذبية بـ 9.8 م / ث 2، ومع ذلك، هذه حالة محددة على سطح الكوكب، فعند حساب الأجسام في مدار حول الأرض.
فقد تنطبق الصيغة v = (GM / R) 1/2 ، حيث v هي سرعة القمر الصناعي، و G هي ثابت الجاذبية، و M هي كتلة الكوكب، و R هي المسافة من مركز الأرض.
وبالاعتماد على هذه الصيغة، يمكننا أن نرى أن السرعة المطلوبة للمدار تساوي الجذر التربيعي للمسافة من الجسم إلى مركز الأرض مضروبًا في العجلة بسبب الجاذبية على تلك المسافة.
لذلك إذا أردنا وضع قمر صناعي في مدار دائري على ارتفاع 500 كم فوق السطح (ما يسميه العلماء المدار الأرضي المنخفض LEO)، فسوف نحتاج إلى سرعة ((6.67 × 10-11 * 6.0 × 1024) / ( 6900000)) 1/2 أو 7615.77 م / ث.
ونستنتج من ذلك أنه كلما زاد الارتفاع، قلت السرعة اللازمة للحفاظ على المدار.
إذن، فإن قدرة الأقمار الصناعية على الحفاظ على مدارها تنخفض إلى توازن بين عاملين: سرعته (أو السرعة التي يتحرك بها في خط مستقيم)، وجاذبية الجاذبية بين القمر الصناعي والكوكب الذي يدور حوله.
فكلما ارتفع المدار، قلت السرعة المطلوبة، وكلما اقترب المدار، يجب أن يتحرك بشكل أسرع للتأكد من أنه لن يعود إلى الأرض.[3]