كيف تدور الاقمار الصناعية حول الارض ؟.. وكيف تبقى في الفضاء

نبذة عن الاقمار الصناعية حول الأرض

القمر الصناعي هو جسم يدور حول الأرض أو كوكب آخر أو نجم، وعلى سبيل المثال، يعتبر الأرض قمرًا صناعيًا لأنها تدور حول الشمس.

بنفس الطريقة، يعد القمر جسما صناعيا لأنه يدور حول الأرض، وعادة، تشير كلمة “قمر صناعي” إلى جهاز يتم إطلاقه في الفضاء ويتحرك حول الأرض أو أي جسم آخر في الفضاء، ومن المعروف أن بعض المواقع توفر صورا واضحة ودقيقة للمنازل من القمر الصناعي، والتي يمكن أن تساعد في تحديد موقع المنزل .

تعد الأرض والقمر مثالان على الأقمار الصناعية الطبيعية، حيث سيتم دوران آلاف الأقمار الصناعية التي تم صنعها من قبل الإنسان حول الأرض.

يمكن للأشخاص التقاط صور للكواكب، والتي تساعد خبراء الأرصاد الجوية في التنبؤ بالطقس وتتبع الأعاصير، وكذلك صور للكواكب الأخرى والشمس والثقوب السوداء والمادة المظلمة والمجرات البعيدة.

كيف تدور الاقمار الصناعية حول الارض

تخيل عندما تلقي الكرة، فكر في ما يحدث، أنت تقف في ميدان كبير وتلقي كرة بيسبول بأقصى ما تستطيع، مثل الرامي، وقد تسافر الكرة حوالي 100 قدم (30 مترًا) ثم تصطدم بالأرض ومنها تتحرك الكرة في دائرة قصيرة جدًا

الشيء الوحيد الذي يؤثر على هذا المثال هو مقاومة الهواء، لذلك تخيّل أنك أحضرت هذه البندقية إلى القمر ووضعتها على قمة أعلى جبل.

يتواجد القمر بدون غلاف جوي ومحاط بشكل كامل بفراغ الفضاء، وإذا تم ضبط سرعة القذيفة بشكل صحيح وأطلقت من المدفع، فإن القذيفة ستتبع منحنى القمر بشكل مثالي.

وسينزلق المدفع بنفس معدل سقوط القمر بعيداً عنه، وبالتالي لن يصطدم بالأرض أبداً، وفي النهاية، سيتعرج على طول الطريق حول القمر ويصطدم مباشرة بمؤخرة المدفع، على سطح القمر.

يمكن أن يكون لديك بالفعل أقمار صناعية في مدارات منخفضة جدا، والتي قد تكون على بعد ميل أو ميلين فقط من سطح الأرض لتجنب الجبال، ولهذا السبب يوجد العديد من أنواع مدارات الأقمار الصناعية المختلفة من حولنا.

لفهم كيفية دوران القمر الصناعي حول الأرض، يجب أولاً فهم متطلبات المدار، وقد كان يوهان كبلر أول من وصف بدقة الشكل الرياضي لمدارات الكواكب.

في السابق، كان يُعتقد أن مدارات الكواكب حول الشمس والقمر حول الأرض دائرية تمامًا، ولكن كبلر وقع في خطأ في هذا المفهوم .

للحفاظ على مدار الجسم حول الأرض، يجب أن يحتفظ بسرعة كافية لتتبع مساره، وهذا ينطبق على القمر الطبيعي والصناعي على حد سواء.

من اكتشافات كبلر، استطاع العلماء أن يستنتجوا أن كلما اقترب القمر الصناعي من جسم آخر، زادت قوة الجاذبية، وبالتالي فإنه يجب عليه أن يتحرك بشكل أسرع للحفاظ على مداره.

مفاهيم الجاذبية والمدارات 

على مدى قرون، تم تطوير مفاهيم الجاذبية والمدارات من قبل علماء أسطوريين مثل جاليليو جاليلي ويوهانس كيبلر وإسحاق نيوتن وألبرت أينشتاين.

تُستخدم الأقمار الصناعية بشكل روتيني في الاتصالات والتصوير والملاحة في المدار، 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 هي أنها ناتجة عن غياب الجاذبية، بينما ينخفض سحب الجاذبية من الأرض كلما اتجه المرء للفضاء، ومع ذلك، فإنه لا تختفي تماما. فهي تشبه ترك كرة على مسافة 100000 كيلومتر فوق الأرض ثم تركها تسقط تدريجيا.

كيف يتم حماية الأقمار الصناعية والأقمار من الانهيار أو السقوط

نيوتن استطاع إيجاد تجربة فكرية متصدعة، لتوضيح حركة الأقمار الصناعية، من خلال اختراع مدفع، وذلك بالتحليل الرياضي لحركة الأجسام الساقطة.

عند إطلاق مدفع أفقي على الأرض، تقطع كرة المدفع مسافة معينة عندما تصطدم بالأرض، وعلاوة على ذلك، تنطلق كرة المدفع بسرعة أكبر من المدفع نفسه، وتتحرك بمسار أكثر حول الأرض قبل أن تتحطم، ومن ثم سأل نيوتن نفسه سؤالًا وتمكن من الإجابة عليه من خلال التجربة

ماذا لو استطعت إطلاق كرة المدفع بسرعة لا يمكن تصديقها، وتبلغ 8 كيلومترات في الثانية؟

يتبع كرة المدفع انحناء الأرض، وتتأثر بالجاذبية وتسحب نحو الأرض، لكنها لا تصل إلى الأرض أبدًا.

وسيكون ذلك في تجربة نيوتن الفكرية، مع عدم وجود مُقاوَمَةٍ للهواء ومدفعٍ قويٍ سِحرِيٍّا.

الذهاب إلى أعلى

عندما تتباعد المركبة الفضائية عن الأرض، ستتباطأ حركتها بشكل رأسي وأفقي (بسبب الحفاظ على الزخم الزاوي)، وفي النهاية ستصل إلى أعلى نقطة في الفضاء وتعود مرة أخرى إلى الأرض.

تتمثل العملية الآن في لتقاط المركبة الفضائية السرعة وزيادتها حتى تصل إلى أدنى ارتفاع ممكن، ويشار إليه بـ (نقطة الحضيض)، وتتكرر العملية مرة أخرى حيث تتبع المركبة الفضائية الأجزاء المفقودة حول الأرض.

البقاء ساكنا

بينما تدور بعض الأقمار الصناعية حول العالم في 90 دقيقة، لا تبدو البعض الآخر يتحرك على الإطلاق، حيث تبدو الأقمار الصناعية المخصصة للطقس والتلفزيون متداولة فوق خط الاستواء.

تدور هذه الأقمار الصناعية في مدارات ثابتة بالنسبة للأرض، وعندما يدور أحد المدارات حول الأرض، فإن السرعة المطلوبة للبقاء في المدار تقل ويزداد الوقت اللازم لإكمال المدار.

يمر عابرا

يمكننا رؤية بعض الأقمار الصناعية وهي تمر في السماء قبل الفجر وبعد الغسق، حيث تعكس ضوء الشمس. وتتبع بعض الأقمار الصناعية دوران الأرض وتتحرك من الغرب إلى الشرق، في حين تأخذ مدارات بعضها فوق القطبين وتسافر من الشمال إلى الجنوب أو العكس.

بشكل عام، تمر الأقمار الصناعية بصمت في السماء، وتستغرق بضع دقائق للانتقال من الأفق إلى الأفق. وعلى الرغم من أنهم يسافرون عدة كيلومترات كل ثانية على ارتفاعات مئات الكيلومترات، يظهر مرورهم هادئًا تمامًا من وجهة نظرنا.

كيف تبقى الأقمار الصناعية في الفضاء؟

لا شك أن القمر الصناعي هو إنجاز تقني وهندسي رائع، والشيء الوحيد الذي يمكن مقارنته به من الناحية التقنية هو المعرفة العلمية التي يتم استخدامها لوضعه في المدار حول الأرض والحفاظ عليه هناك طوال فترة حياته.

يجب عليك أن تأخذ في الاعتبار ما يحتاجه العلماء لفهم الثبات في الفضاء، قبل فهم الجاذبية نفسها.

جميع الأجسام لديها مجال جاذبية خاص بها، ومع ذلك، يمكن الشعور بهذه القوة فقط في حالة الأجسام الكبيرة بشكل خاص، مثل الكواكب.

فيما يتعلق بحالة الأرض، تم حساب قوة الجاذبية بمقدار 9.8 م/ث^2. ومع ذلك، هذه الحالة محددة على سطح الكوكب. وعند حساب الأجسام في مدار حول الأرض، يجب مراعاة أمور أخرى.

قد يتم استخدام الصيغة v = (GM / R) 1/2 لحساب سرعة القمر الصناعي، حيث v هي السرعة، G هو الثابت الجاذبية، M هي كتلة الكوكب، و R هي المسافة من مركز الأرض.

باستخدام هذه الصيغة، يُمكننا رؤية أن السرعة المطلوبة للمدار تساوي الجذر التربيعي للمسافة بين الجسم ومركز الأرض، مضروبًا في الثوابت المتعلقة بالجاذبية على تلك المسافة.

لذلك، إذا أردنا وضع قمر صناعيفي المدار الدائري على ارتفاع 500 كم فوق سطح الأرض (والذي يعرفه العلماء باسم المدار الأرضي المنخفض LEO)، فسنحتاج إلى سرعة تقدر بـ ((6.67 × 10-11 × 6.0 × 1024) / (6900000)) 1/2 أو 7615.77 مترًا في الثانية.

يمكن استنتاج أن السرعة المطلوبة للحفاظ على المدار تقل كلما زاد ارتفاع الجسم الذي يدور حوله.

لذلك، تنخفض قدرة الأقمار الصناعية على الحفاظ على مدارها إلى توازن بين عاملين: سرعتها (أو السرعة التي تتحرك بها في خط مستقيم) وجاذبية الجسم الذي تدور حوله.

كلما ارتفع المدار، ينخفض مستوى السرعة المطلوبة، وعندما يقترب المدار يجب أن يتحرك بشكل أسرع للتأكد من عدم عودته إلى الأرض.