يدور قمر اصطناعي حول الارض اي العوامل تعتمد عليها سرعته ، في الفضاء ، توفر الجاذبية قوة الجاذبية المركزية التي تجعل الأقمار الصناعية (مثل القمر) تدور حول أجسام أكبر (مثل الأرض). بفضل الفيزياء ، إذا كنت تعرف كتلة وارتفاع قمر صناعي في مدار حول الأرض ، يمكنك حساب السرعة التي يحتاجها للسفر للحفاظ على هذا المدار، عروس يقدم لك كل ما تحتاج معرفته عن دوران القمر الصناعي حول الارض اي العوامل تعتمد عليها سرعته.

دوران القمر الصناعي

يمكن أن يكون لقمر صناعي معين سرعة واحدة فقط عندما يكون في مدار حول جسم معين على مسافة معينة لأن قوة الجاذبية لا تتغير. إذن ما هذه السرعة؟ يمكنك حسابها باستخدام معادلات قوة الجاذبية وقوة الجاذبية. لكي يدور قمر صناعي بكتلة معينة ، m 1 ، تحتاج إلى قوة جذب مركزي مقابلة.
يجب أن تأتي قوة الجاذبية المركزية هذه من قوة الجاذبية، تمثل المعادلة السرعة التي يجب أن يقطعها قمر صناعي في نصف قطر معين لكي يدور في المدار إذا كان المدار بسبب الجاذبية. لا يمكن أن تتغير السرعة طالما أن للقمر الصناعي نصف قطر مداري ثابت - أي طالما أنه يدور في دوائر. تنطبق هذه المعادلة على أي جسم يدور حوله حيث يكون الجذب هو قوة الجاذبية ، سواء كان قمرًا صناعيًا من صنع الإنسان يدور حول الأرض أو الأرض التي تدور حول الشمس. إذا كنت تريد العثور على سرعة الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض.

معادلة سرعة دوران القمر

فيما يلي بعض التفاصيل التي يجب ملاحظتها عند مراجعة معادلة سرعة الدوران:

  • يجب أن تستخدم المسافة من مركز الأرض ، وليس المسافة فوق سطح الأرض ، مثل نصف القطر. لذلك ، فإن المسافة التي تستخدمها في المعادلة هي المسافة بين الجسمين المداريين. في هذه الحالة ، تضيف المسافة من مركز الأرض إلى سطح الأرض ، 6.38 × 10 6 أمتار ، إلى ارتفاع القمر الصناعي فوق الأرض.
  • تفترض المعادلة أن القمر الصناعي مرتفع بدرجة كافية عن الأرض بحيث يدور خارج الغلاف الجوي. هذا الافتراض ليس صحيحًا حقًا بالنسبة للأقمار الصناعية. حتى على ارتفاع 400 ميل فوق سطح الأرض ، تشعر الأقمار الصناعية باحتكاك الهواء. تدريجيًا ، يؤدي سحب الاحتكاك إلى انخفاضها وانخفاضها ، وعندما تضرب الغلاف الجوي ، فإنها تحترق عند الدخول مرة أخرى. عندما يكون القمر الصناعي على ارتفاع أقل من 100 ميل فوق السطح ، فإن مداره يتحلل بشكل ملحوظ في كل مرة يدور فيها حول الأرض.
  • المعادلة مستقلة عن الكتلة. إذا كان القمر بدلاً من القمر الصناعي يدور حول 400 ميل ويمكنك تجاهل الاحتكاك الجوي والاصطدام بالأرض ، فسيتعين عليه السير بنفس سرعة القمر الصناعي من أجل الحفاظ على مداره القريب.
  • تدور الأقمار الصناعية من صنع الإنسان عادةً على ارتفاعات 400 ميل من سطح الأرض (حوالي 640 كيلومترًا ، أو 6.4 × 10 5 أمتار). ما هي سرعة هذا القمر الصناعي؟ كل ما عليك فعله هو وضع الأرقام، هذا يتحول إلى حوالي 16800 ميل في الساعة.

شرح الحركة الدائرية للأقمار الصناعية

لجعل أي شيء يتحرك على طول مسار دائري ، من الضروري أن يكون لديك قوة تعمل تجاه مركز ذلك المسار.
على سبيل المثال ، لجعل السدادة المطاطية تتحرك في مسار دائري في نهاية الخيط ، يجب أن تكون هناك قوة تعمل باتجاه مركز الحركة. القوة المؤثرة تجاه مركز الحركة تسمى قوة الجاذبية.
إن كلمة centripetal عبارة عن مزيج من كلمتين لاتينيتين: centrum بمعنى مركز و peto تعني الدخول. تدخل القوة المركزية نحو المركز.
من الضروري أن يكون لديك قوة جاذبية مركزية للحفاظ على حركة دائرية لأنه إذا لم تكن هناك قوة ناتجة تعمل على جسم (أي كل القوى المؤثرة على الجسم تضاف إلى الصفر) ، فإن الجسم ينتقل بحركة موحدة في خط مستقيم ، أو يبقى في راحة.

تحدى نيوتن ما كان يعتبر حركة طبيعية

قبل نيوتن ، كان الناس يعتقدون أن الحركة الدائرية طبيعية ولا تحتاج إلى تفسير. كانت رؤية نيوتن العظيمة هي إدراك أن الحركة في خط مستقيم هي الشكل الطبيعي للحركة غير القسرية وأن الحركة الدائرية هي التي تتطلب تفسيرًا.
دفع هذا نيوتن إلى التفكير في طبيعة القوة التي تبقي القمر في مدار حول الأرض. الحادثة التي من المفترض أن توحي بالإجابة عليه كانت سقوط التفاحة على رأسه. إذا كانت الجاذبية قادرة على العمل بين الأرض والتفاحة ، فلماذا لا تعمل أيضًا بين الأرض والقمر؟ قادته حسابات نيوتن اللاحقة إلى فكرة أن الجاذبية هي قوة عالمية تعمل بين جميع الأجسام.

العلاقة بين الحركة الدائرية وحركة الأقمار الصناعية

إن قوة الجاذبية المركزية مثيرة للاهتمام لأنها تعمل بزاوية قائمة على اتجاه حركة الجسم المتحرك على طول مسار دائري. على هذا النحو ، فإن قوة الجاذبية لا تزيد من سرعة الجسم ، ولكنها ببساطة تغير اتجاه حركته.
من الغريب بعض الشيء (على الأقل في البداية) أن ندرك أن جسمًا يتحرك حول مسار دائري بسرعة ثابتة يتسارع. قوة الجاذبية المركزية هي قوة غير متوازنة وبالتالي تسرع الجسم. يتجلى هذا التسارع كتغيير مستمر في الاتجاه وليس زيادة في السرعة.
هذا تسارع لأن التسارع يُعرَّف بأنه التغير في السرعة في كل وحدة زمنية.
تعتمد السرعة على كل من السرعة والاتجاه ، لذا فإن التغيير في الاتجاه كافٍ لإحداث تغيير في السرعة.

الدخول في المدار

ربما يكون السؤال الأول الذي يجب التفكير فيه هو كيف يدخلون المدار في المقام الأول. لنجرب تجربة فكرية اقترحها أولاً السير إسحاق نيوتن نفسه.
تخيل جبلًا كبيرًا على سطح الأرض بحيث تبرز قمته فوق الغلاف الجوي للأرض (يجب أن يكون ارتفاعه حوالي عشرة أضعاف ارتفاع جبل إيفرست). لنفترض أنك صعدت إلى قمة هذا الجبل ورميت كرة كريكيت أفقيًا للخارج. يتم سحب الكرة بواسطة الجاذبية بحيث تسقط على الأرض على طول مسار منحني.
لنفترض أنك تحاول الآن أكثر بكثير وأن الكرة تتحرك بعيدًا إلى الخارج قبل أن تصل إلى الأرض.
أنت الآن تستجمع كل قوتك وتمكن من رمي الكرة بسرعة كبيرة بحيث تطير إلى الخارج وعندما تسقط ، يتبع مسارها انحناء الأرض. تتبع الكرة مسار السقوط هذا حول الأرض. في الواقع ، أنت بحاجة إلى البطة لأنها تأتي بعد إكمال دورة واحدة! لقد تمكنت من رمي الكرة في مدار حول الأرض لتصبح الآن قمرًا صناعيًا للأرض.

وضع الأقمار الصناعية في المدار

ينطوي وضع الأقمار الصناعية في المدار على نفس أنواع الإجراءات والأفكار. بادئ ذي بدء ، يتم وضع القمر الصناعي فوق صاروخ ضخم لحمله بعيدًا عن الأرض وعبر الغلاف الجوي. بمجرد أن يصل إلى الارتفاع المطلوب ، يتم تطبيق دفعات صاروخية جانبية بالقوة المناسبة فقط لإرسال القمر الصناعي إلى المدار بالسرعة الصحيحة.
إذا تم إلقاء القمر الصناعي ببطء شديد ، فسوف يسقط على الأرض لأن الجاذبية المركزية للجاذبية كبيرة جدًا. إذا تم طرح القمر الصناعي بسرعة كبيرة جدًا ، فسوف يهرب من مدار الأرض لأن الجاذبية لا تكفي لتوفير قوة الجاذبية المطلوبة. مع سرعة الإطلاق الصحيحة ، يستمر القمر الصناعي في مداره الساقط حول الأرض.
عندما يتم إطلاق القمر الصناعي من الصاروخ الحامل ، يعمل الدفع الصاروخي لإلقائه في الاتجاه المطلوب بالسرعة المحددة. النقطة الحاسمة التي يجب فهمها هنا هي أن القمر الصناعي يتسارع فقط طالما أن دفع الصاروخ يعمل. بمجرد إيقاف تشغيل محرك الصاروخ ، يستمر القمر الصناعي بالسرعة النهائية التي تم تحقيقها ، ولا يتسارع ولا يتباطأ ، وسحب الجاذبية للأرض يسحب القمر الصناعي باستمرار في مساره المداري وعلى طوله. بهذا المعنى ، يستمر القمر الصناعي في التحرك بنفسه .
إذا كان القمر الصناعي يتحرك عبر الفضاء الفارغ ، فسيبقى في مداره إلى الأبد ، ولا توجد قوى تعمل على تسريع وتيرة إبطائه. في الواقع ، لا تنتقل الأقمار الصناعية للأرض في مدار منخفض عبر الفضاء الفارغ وبالتالي تتعرض لقوة مقاومة أو سحب بسبب الغلاف الجوي الرقيق الذي تواجهه. في مثل هذه الظروف ، هناك حاجة إلى دفعات صاروخية عرضية للحفاظ على حركة القمر الصناعي ، وإلا فإنه سيسقط على الأرض