3.4: المدارات في النظام الشمسي

Last updated

Nov 1, 2022
Page ID
197400
Save as PDF
- 3.3: قانون نيوتن العالمي للجاذبية
- 3.5: حركات الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

أهداف التعلم

في نهاية القسم، ستكون قادرًا على:

قارن الخصائص المدارية للكواكب في النظام الشمسي
قارن الخصائص المدارية للكويكبات والمذنبات في النظام الشمسي

تذكر أن مسار الجسم تحت تأثير الجاذبية عبر الفضاء يسمى مداره، سواء كان هذا الجسم مركبة فضائية أو كوكب أو نجم أو مجرة. يسمح المدار، بمجرد تحديده، بحساب المواضع المستقبلية للجسم.

تم تسمية نقطتين في أي مدار في نظامنا الشمسي بأسماء خاصة. يُطلق على المكان الذي يكون فيه الكوكب أقرب إلى الشمس (الهيليوس باللغة اليونانية) ويتحرك فيه بشكل أسرع اسم الحضيض في مداره، والمكان الذي يكون فيه أبعد ويتحرك ببطء شديد هو الأوج. بالنسبة للقمر أو القمر الصناعي الذي يدور حول الأرض (gee باللغة اليونانية)، فإن المصطلحات المقابلة هي نقطة الحضيض والأوج. (في هذا الكتاب، نستخدم كلمة القمر كجسم طبيعي يدور حول كوكب وكلمة قمر صناعي لتعني كائنًا من صنع الإنسان يدور حول كوكب.)

مدارات الكواكب

اليوم، يتيح لنا عمل نيوتن حساب مدارات الكواكب والتنبؤ بها بدقة مذهلة. نحن نعرف ثمانية كواكب، تبدأ بعطارد الأقرب إلى الشمس وتمتد إلى الخارج إلى نبتون. يتم تلخيص متوسط البيانات المدارية للكواكب في الجدول $\PageIndex{1}$ . (Ceres هو أكبر الكويكبات، ويعتبر الآن كوكبًا قزمًا.)

وفقًا لقوانين كيبلر، يجب أن يكون لعطارد أقصر فترة مدارية (88 يومًا من أيام الأرض)؛ وبالتالي، فإنه يتمتع بأعلى سرعة مدارية، بمتوسط 48 كيلومترًا في الثانية. في الطرف المقابل، تبلغ فترة نبتون 165 عامًا ومتوسط سرعة مدارية يبلغ 5 كيلومترات في الثانية فقط.

جدول $\PageIndex{1}$ : البيانات المدارية للكواكب
كوكب	المحور شبه الرئيسي (AU)	الفترة (ص)	الانحراف
الزئبق	0.39	0.24	0.21
كوكب الزهرة	0.72	0.6	0.01
الأرض	1	1.00	0.02
المريخ	1.52	1.88	0.09
(سيريس)	2.77	4.6	0.08
المشتري	5.20	11.86	0.05
زحل	9.54	29.46	0.06
أورانوس	19.19	84.01	0.05
نبتون	30.06	164.82	0.01

تحتوي جميع الكواكب على مدارات ذات انحراف منخفض نوعًا ما. والمدار الأكثر غرابة هو مدار عطارد (0.21)؛ أما بقية المدار فتقل درجة حرارته عن 0.1. من حسن الحظ أنه من بين البقية، يتمتع المريخ بانحراف أكبر من العديد من الكواكب الأخرى. وإلا فإن الملاحظات قبل التلسكوبية لـ Brahe لم تكن كافية لكي يستنتج كيبلر أن مداره كان على شكل بيضاوي بدلاً من دائرة.

تقتصر مدارات الكواكب أيضًا على مقربة من المستوى العادي، الذي يقع بالقرب من مستوى مدار الأرض (يسمى مسير الشمس). يميل المدار الغريب للكوكب القزم بلوتو حوالي 17 درجة إلى مسير الشمس، والمدار الغريب للكوكب القزم إيريس (الذي يدور بعيدًا عن الشمس أكثر من بلوتو) بمقدار 44 درجة، ولكن جميع الكواكب الرئيسية تقع في حدود 10 درجات من المستوى المشترك للنظام الشمسي.

يمكنك استخدام جهاز محاكاة مداري لتصميم النظام الشمسي الصغير الخاص بك مع ما يصل إلى أربعة أجسام. اضبط كتل الكواكب وسرعاتها ومواقعها، وشاهد ما يحدث لمداراتها نتيجة لذلك.

مدارات الكويكبات والمذنبات

بالإضافة إلى الكواكب الثمانية، هناك العديد من الأجسام الصغيرة في النظام الشمسي. بعض هذه الأقمار (الأقمار الصناعية الطبيعية) التي تدور حول جميع الكواكب باستثناء عطارد والزهرة. بالإضافة إلى ذلك، هناك فئتان من الأجسام الصغيرة في مدارات مركزية الشمس: الكويكبات والمذنبات. يُعتقد أن كل من الكويكبات والمذنبات عبارة عن أجزاء صغيرة من المواد المتبقية من عملية تكوين النظام الشمسي.

بشكل عام، تحتوي الكويكبات على مدارات ذات محاور شبه رئيسية أصغر من المذنبات (الشكل $\PageIndex{1}$ ). يقع معظمها بين 2.2 و 3.3 AU، في المنطقة المعروفة باسم حزام الكويكبات (انظر المذنبات والكويكبات: حطام النظام الشمسي). كما ترى في الجدول $\PageIndex{1}$ ، يقع حزام الكويكبات (الذي يمثله أكبر عضو فيه، سيريس) في منتصف فجوة بين مداري المريخ والمشتري. لأن هذين الكوكبين بعيدان جدًا بحيث يمكن أن توجد مدارات مستقرة للأجسام الصغيرة في المنطقة بينهما.

بديل — الشكل: مدارات النظام $\PageIndex{1}$ الشمسي. نرى مدارات المذنبات والكويكبات النموذجية مقارنة بمدارات الكواكب عطارد والزهرة والأرض والمريخ والمشتري (الدوائر السوداء). تظهر باللون الأحمر ثلاثة مذنبات: هالي وكوبف وإنك. باللون الأزرق توجد أكبر أربعة كويكبات: سيريس، بالاس، فيستا، وهيجيا.

تحتوي المذنبات عمومًا على مدارات أكبر حجمًا وأكثر انحرافًا عن مدارات الكويكبات. عادةً ما يكون الانحراف المركزي لمداراتها 0.8 أو أعلى. وفقًا لقانون كيبلر الثاني، يقضون معظم وقتهم بعيدًا عن الشمس، ويتحركون ببطء شديد. وعند اقترابها من نقطة الحضيض، تتسارع المذنبات وتمر عبر الأجزاء الداخلية من مداراتها بسرعة أكبر.

المفاهيم الأساسية والملخص

أقرب نقطة في مدار القمر الصناعي حول الأرض هي نقطة الحضيض، وأبعد نقطة هي نقطة الأوج (المقابلة للحضيض والزاوية في مدار حول الشمس). تتبع الكواكب مدارات حول الشمس تكون دائرية تقريبًا وفي نفس المستوى. توجد معظم الكويكبات بين المريخ والمشتري في حزام الكويكبات، بينما تتبع المذنبات عمومًا مدارات شديدة الانحراف.

مسرد المصطلحات

الأوج: النقطة في مداره حيث يكون الكوكب (أو أي جسم مداري آخر) أبعد ما يكون عن الشمس

أوج: النقطة في مداره حيث يكون القمر الصناعي الأرضي أبعد عن الأرض

حزام الكويكبات: منطقة النظام الشمسي بين مداري المريخ والمشتري حيث توجد معظم الكويكبات؛ يمتد الحزام الرئيسي، حيث تكون المدارات بشكل عام الأكثر استقرارًا، من 2.2 إلى 3.3 AU من الشمس

نقطة الحضيض: النقطة في مداره حيث يكون القمر الصناعي الأرضي هو الأقرب إلى الأرض

الحضيض: النقطة في مداره حيث يكون الكوكب (أو أي جسم مداري آخر) أقرب إلى الشمس

قمر: كائن يدور حول كوكب