Home
اللغة العربية
كتاب: علم الفلك (OpenStax)
3: المدارات والجاذبية
3.5: حركات الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية

3.5: حركات الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية

Last updated

Nov 1, 2022
Page ID
197393
Save as PDF
- 3.4: المدارات في النظام الشمسي
- 3.6: الجاذبية بأكثر من جسمين

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

أهداف التعلم

في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

اشرح كيف يمكن وضع جسم (مثل القمر الصناعي) في مدار حول الأرض
اشرح كيف يمكن لجسم (مثل مسبار كوكبي) الهروب من المدار

يصف قانون نيوتن العالمي للجاذبية وقوانين كيبلر حركات الأقمار الصناعية الأرضية والمركبات الفضائية بين الكواكب وكذلك الكواكب. تم إطلاق سبوتنك، أول قمر صناعي أرضي، من قبل ما كان يسمى آنذاك الاتحاد السوفيتي في 4 أكتوبر 1957. منذ ذلك الوقت، تم وضع آلاف الأقمار الصناعية في مدار حول الأرض، كما دارت المركبات الفضائية حول القمر والزهرة والمريخ والمشتري وزحل وعدد من الكويكبات والمذنبات.

بمجرد وصول القمر الصناعي إلى المدار، لا يختلف سلوكه عن سلوك القمر الصناعي الطبيعي، مثل قمرنا. إذا كان القمر الصناعي مرتفعًا بما يكفي ليكون خاليًا من الاحتكاك الجوي، فسيظل في المدار إلى الأبد. ومع ذلك، على الرغم من عدم وجود صعوبة في صيانة القمر الصناعي بمجرد وصوله إلى المدار، إلا أنه يلزم قدر كبير من الطاقة لرفع المركبة الفضائية عن الأرض وتسريعها إلى السرعة المدارية.

لتوضيح كيفية إطلاق القمر الصناعي، تخيل بندقية تطلق رصاصة أفقيًا من أعلى جبل مرتفع، كما في الشكل $\PageIndex{1}$ ، الذي تم تكييفه من رسم تخطيطي مماثل لنيوتن. تخيل أيضًا أنه يمكن إزالة احتكاك الهواء وأنه لا شيء يقف في طريق الرصاصة. ثم القوة الوحيدة التي تعمل على الرصاصة بعد خروجها من الكمامة هي قوة الجاذبية بين الرصاصة والأرض.

بديل — الشكل $\PageIndex{1}$ : (أ) بالنسبة للمسارين a و b، لا تكفي السرعة لمنع الجاذبية من سحب الرصاصة مرة أخرى إلى الأرض؛ في الحالة c، تسمح السرعة للرصاصة بالسقوط بالكامل حول الأرض. (ب) يوضح هذا الرسم التخطيطي لنيوتن في كتابه *De Mundi Systemate*، طبعة 1731، نفس المفهوم الموضح في (أ).

إذا تم إطلاق الرصاصة بسرعة يمكننا الاتصال بها $v_a$ ، فإن قوة الجاذبية المؤثرة عليها تسحبها إلى الأسفل نحو الأرض، حيث تصطدم بالأرض عند النقطة $a$ . ومع ذلك، إذا تم منحها سرعة أعلى للكمامة $v_b$ ، فإن سرعتها العالية تحملها لمسافة أبعد قبل أن تصطدم بالأرض عند النقطة $b$ .

إذا تم إعطاء رصاصتنا سرعة كمامة عالية بما يكفي $v_c$ ، فإن السطح المنحني للأرض يجعل الأرض تبقى على نفس المسافة من الرصاصة بحيث تسقط الرصاصة حول الأرض في دائرة كاملة. تبلغ السرعة اللازمة للقيام بذلك - والتي تسمى سرعة القمر الصناعي الدائري - حوالي 8 كيلومترات في الثانية، أو حوالي 17500 ميل في الساعة في الوحدات الأكثر شيوعًا.

في كل عام، يتم إطلاق أكثر من 50 قمرًا صناعيًا جديدًا إلى المدار من قبل دول مثل روسيا والولايات المتحدة والصين واليابان والهند وإسرائيل، بالإضافة إلى وكالة الفضاء الأوروبية (ESA)، وهي مجموعة من الدول الأوروبية (الشكل $\PageIndex{2}$ ). اليوم، تُستخدم هذه الأقمار الصناعية لتتبع الطقس، والبيئة، وأنظمة تحديد المواقع العالمية، والاتصالات، والأغراض العسكرية، على سبيل المثال لا الحصر. يتم إطلاق معظم الأقمار الصناعية في مدار أرضي منخفض، لأن هذا يتطلب الحد الأدنى من طاقة الإطلاق. بسرعة مدارية تبلغ 8 كيلومترات في الثانية، تدور حول الكوكب في حوالي 90 دقيقة. بعض مدارات الأرض المنخفضة جدًا ليست مستقرة إلى أجل غير مسمى لأنه، مع تضخم الغلاف الجوي للأرض من وقت لآخر، يتولد السحب الاحتكاكي عن طريق الغلاف الجوي على هذه الأقمار الصناعية، مما يؤدي في النهاية إلى فقدان الطاقة و «اضمحلال» المدار.

مركبة فضائية بين الكواكب

تم استكشاف النظام الشمسي إلى حد كبير بواسطة مركبة فضائية روبوتية تم إرسالها إلى الكواكب الأخرى. للهروب من الأرض، يجب أن تحقق هذه المركبة سرعة الهروب، وهي السرعة اللازمة للابتعاد عن الأرض إلى الأبد، والتي تبلغ حوالي 11 كيلومترًا في الثانية (حوالي 25000 ميل في الساعة). بعد الهروب من الأرض، تتجه هذه القوارب إلى أهدافها، ولا تخضع إلا لتعديلات طفيفة في المسار توفرها صواريخ الدفع الصغيرة على متنها. في الطيران بين الكواكب، تتبع هذه المركبات الفضائية مدارات حول الشمس يتم تعديلها فقط عندما تمر بالقرب من أحد الكواكب.

عندما تقترب المركبة الفضائية من هدفها، تنحرف قوة جاذبية الكوكب إلى مدار معدل، إما تكتسب الطاقة أو تفقدها في هذه العملية. لقد تمكنت وحدات التحكم في المركبات الفضائية بالفعل من استخدام جاذبية الكوكب لإعادة توجيه مركبة فضائية تحلق إلى هدف ثان. على سبيل المثال، استخدم Voyager 2 سلسلة من اللقاءات بمساعدة الجاذبية لإنتاج تحليقات متتالية لكوكب المشتري (1979) وزحل (1980) وأورانوس (1986) ونبتون (1989). حلقت المركبة الفضائية غاليليو، التي تم إطلاقها في عام 1989، عبر كوكب الزهرة مرة واحدة والأرض مرتين للحصول على الطاقة اللازمة للوصول إلى هدفها النهائي المتمثل في الدوران حول كوكب المشتري.

إذا كنا نرغب في الدوران حول كوكب، يجب علينا إبطاء المركبة الفضائية بصاروخ عندما تكون المركبة الفضائية قريبة من وجهتها، مما يسمح بالتقاطها في مدار بيضاوي الشكل. مطلوب دفع صاروخي إضافي لإنزال مركبة من المدار للهبوط على السطح. أخيرًا، إذا تم التخطيط لرحلة العودة إلى الأرض، يجب أن تتضمن الحمولة الهابطة طاقة دافعة كافية لتكرار العملية بأكملها في الاتجاه المعاكس.

المفاهيم الأساسية والملخص

يعتمد مدار القمر الصناعي الصناعي على ظروف إطلاقه. تبلغ سرعة القمر الصناعي الدائري اللازمة للدوران حول سطح الأرض 8 كيلومترات في الثانية، وسرعة الهروب من كوكبنا هي 11 كيلومترًا في الثانية. هناك العديد من المسارات المحتملة بين الكواكب، بما في ذلك تلك التي تستخدم التحليق بمساعدة الجاذبية لجسم واحد لإعادة توجيه المركبة الفضائية نحو هدفها التالي.

مسرد المصطلحات

سرعة الهروب: السرعة التي يجب أن يحققها الجسم للابتعاد عن جاذبية جسم آخر