كما تعلم ، فإن الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض معلقة بلا حراك فوق الأرض فوق نفس النقطة. لماذا لا يسقطون؟ ألا يوجد جاذبية على هذا الارتفاع؟

إجابه

قمر الأرض الاصطناعي المستقر بالنسبة إلى الأرض هو جهاز يتحرك حول الكوكب في الاتجاه الشرقي (في نفس اتجاه دوران الأرض نفسها) ، في مدار استوائي دائري مع فترة ثورة تساوي فترة دوران الأرض.

وبالتالي ، إذا نظرنا من الأرض إلى قمر صناعي ثابت بالنسبة إلى الأرض ، فسنراه معلقًا بلا حراك في نفس المكان. بسبب هذا الجمود والارتفاع الشاهق لحوالي 36000 كم ، والتي يمكن رؤية نصف سطح الأرض منها تقريبًا ، يتم وضع أقمار التتابع الخاصة بالتلفزيون والراديو والاتصالات في مدار ثابت بالنسبة إلى الأرض.

من حقيقة أن قمرًا صناعيًا ثابتًا بالنسبة إلى الأرض يتدلى باستمرار فوق نفس النقطة على سطح الأرض ، يتوصل بعض الناس إلى نتيجة خاطئة مفادها أن قوة الجذب للأرض لا تعمل على القمر الصناعي الثابت بالنسبة للأرض ، وأن قوة الجاذبية تختفي على مسافة معينة من الأرض ، أي يدحضون نيوتن ذاته. بالطبع إنها ليست كذلك. يتم حساب إطلاق الأقمار الصناعية في المدار الثابت بالنسبة للأرض بدقة وفقًا لقانون الجاذبية الكونية لنيوتن.

الأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة إلى الأرض ، مثل جميع الأقمار الصناعية الأخرى ، تسقط فعليًا على الأرض ، لكنها لا تصل إلى سطحها. تتأثر بقوة الجاذبية للأرض (قوة الجاذبية) ، الموجهة نحو مركزها ، وفي الاتجاه المعاكس ، يتأثر القمر الصناعي بقوة الطرد المركزي التي تنفر من الأرض (قوة القصور الذاتي) ، والتي توازن بعضها البعض - لا يطير القمر الصناعي بعيدًا عن الأرض ولا يسقط عليه تمامًا مثل دلو يدور على حبل في مداره.

إذا لم يتحرك القمر الصناعي على الإطلاق ، فسوف يسقط على الأرض تحت تأثير الجذب إليه ، لكن الأقمار الصناعية تتحرك ، بما في ذلك الأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة للأرض (الثابتة بالنسبة للأرض - بسرعة زاوية تساوي السرعة الزاوية لدوران الأرض ، أي دورة واحدة في اليوم ، وبالنسبة للأقمار الصناعية ذات المدارات المنخفضة ، تكون السرعة الزاوية أكبر ، أي أن لديها الوقت للقيام بعدة ثورات حول الأرض في يوم واحد). السرعة الخطية المبلغ عنها للساتل الموازي لسطح الأرض أثناء الإطلاق المباشر إلى المدار كبيرة نسبيًا (في مدار أرضي منخفض - 8 كيلومترات في الثانية ، في مدار ثابت بالنسبة للأرض - 3 كيلومترات في الثانية). إذا لم تكن هناك أرض ، فسيطير القمر الصناعي في خط مستقيم بهذه السرعة ، لكن وجود الأرض يجعله يسقط عليها تحت تأثير الجاذبية ، مما يؤدي إلى انحناء المسار نحو الأرض ، ولكن سطح الأرض الأرض ليست مسطحة ، إنها منحنية. بقدر ما يقترب القمر الصناعي من سطح الأرض ، ينتقل جزء كبير من سطح الأرض من تحت القمر الصناعي ، وبالتالي ، يظل القمر الصناعي على نفس الارتفاع باستمرار ، ويتحرك على طول مسار مغلق. القمر الصناعي يسقط طوال الوقت ، لكنه لا يمكن أن يسقط أبدًا.

لذا ، فإن جميع الأقمار الصناعية للأرض تسقط على الأرض ، ولكن - على طول مسار مغلق. الأقمار الصناعية في حالة انعدام الوزن ، مثل جميع الأجسام الساقطة (إذا تعطل المصعد في ناطحة سحاب وبدأ في السقوط بحرية ، فسيكون الأشخاص الموجودون بالداخل أيضًا في حالة انعدام الوزن). يعاني رواد الفضاء داخل محطة الفضاء الدولية من انعدام الوزن ليس لأن قوة الانجذاب إلى الأرض لا تعمل في المدار (فهي تقريبًا نفس قوة الجذب الموجودة على سطح الأرض) ، ولكن لأن محطة الفضاء الدولية تسقط بحرية على الأرض - على طول مسار دائري مغلق.

لماذا لا يسقط القمر الصناعي على الأرض؟

كثيرا ما يسمع هذا السؤال. يمكن الحصول على إجابة نوعية لها بمساعدة التجربة العقلية التالية. لنفترض أن هناك جبلًا على الأرض يبلغ ارتفاعه 200 كيلومتر وأنك صعدت إلى قمته. ارمِ صخرة من قمة جبل. كلما تأرجحت أكثر ، كلما تطير الحجر. في البداية ، سوف يسقط على جانب الجبل ، ثم عند نحده ، وفي النهاية ، سيتم إخفاء نقطة سقوطه في مكان ما وراء الأفق. بالطبع ، نفترض أن لديك قوة خارقة حقًا (والتي ، بالطبع ، ساعدت كثيرًا في هواء الجبال النظيف). يمكنك رمي الحجر بطريقة تسقط على الجانب الآخر من الأرض وحتى عند سفح الجبل ، ولكن من ناحية أخرى ، تدور حول الأرض. وبجهد إضافي قليلاً ، دارت الحجر حول الأرض ، صفير فوق رأسك ، متحولًا إلى نوع من الارتداد. والآن اربط رحلة الحجر بالسؤال - لماذا لا يسقط القمر الصناعي على الأرض.

تُظهر التجربة الفكرية أعلاه أن القمر الصناعي يسقط باستمرار على الأرض. لا تتفاجأ ، فهو يسقط ويحاول أن يلمس سطح الأرض. ما الأمر؟ لنفترض أن الأرض لها شكل كرة ، وأن مجالها مركزي وأن تحليق الأقمار الصناعية يحدث مباشرة فوق سطحها ، على سبيل المثال ، على ارتفاع متر واحد. من الناحية النظرية ، هذا ممكن. على التين. من خلال 21 OAيشار إلى نصف قطر المدار الدائري للقمر الصناعي. دع الساتل في لحظة ما يكون عند النقطة A ويتم توجيه سرعة رحلته على طول الخط AB ، المتعامد مع نصف القطر OA.

إذا لم يكن هناك جاذبية للأرض ، فبعد فترة قصيرة سيكون القمر الصناعي عند النقطة B ، والتي تقع على استمرار متجه السرعة ، وسيبتعد عن النقطة A على مسافة AB. ولكن بسبب جاذبية الأرض ، يكون مسار طيرانها منحنيًا وبالتالي سينتهي الأمر بالقمر الصناعي في نقطة ما ج. وهذا يعني أنه عندما نفكر في رحلة قمر صناعي بسرعة ثابتة مع "سقوط" متزامن نحو الأرض بسبب جاذبيتها ، لا نحصل على شيء أكثر من الدوران الدائري. يتضح الآن سبب عدم وصول القمر الصناعي إلى سطح الأرض: إلى أي مدى ينحرف القمر الصناعي عن الحركة المستقيمة بسبب تأثير قوى الجاذبية الأرضية ، لدرجة "انحراف" سطح الأرض بسبب الكرة عن خط مستقيم. من الناحية المجازية ، يحاول القمر الصناعي باستمرار ، إذا جاز التعبير ، الوصول إلى سطح الأرض ، وانحناء سطح الأرض يبتعد عنها. وتستمر هذه العملية طوال الرحلة ، ونتيجة لذلك لا يستطيع القمر الصناعي الوصول إلى سطح الأرض بأي شكل من الأشكال. ومع ذلك ، فإن الطبيعة المتناقضة لهذه الظاهرة ليست مفاجئة ، ويمكن إيجاد تشبيه "أرضي" لائق. استرجع التجربة عندما تم النظر في دوران الوزن على سلسلة ممتدة. في عملية الدوران ، تقوم باستمرار بسحب الوزن نحوك بمساعدة حبل ، لكنه مع ذلك لا يصل إلى يدك أبدًا وهذا لا يفاجئك على الإطلاق. يحدث شيء مشابه على نطاق كوني: قوة جاذبية الأرض هي نفس الحبل الذي يحمل القمر الصناعي ويجعله يدور حول الأرض.

للأرض مجال جاذبية قوي ، لا يجذب فقط الأجسام الموجودة على سطحها ، ولكن أيضًا تلك الأجسام الفضائية التي ، لسبب ما ، تكون قريبة جدًا منها. لكن إذا كان الأمر كذلك ، فكيف نفسر حقيقة أن الأقمار الصناعية التي أطلقها الإنسان في مدار الأرض لا تسقط على سطحها؟

وفقًا لقوانين الفيزياء ، يجب أن يسقط أي جسم في مدار الأرض على سطحه بالضرورة ، ينجذب بواسطة مجال الجاذبية الخاص به. كل هذا صحيح تمامًا ، ولكن فقط إذا كان للكوكب شكل كرة مثالية ، ولن تعمل القوى الخارجية على الأجسام الموجودة في مداره. في الواقع، فهو ليس كذلك. الأرض ، بسبب الدوران حول محورها ، منتفخة إلى حد ما عند خط الاستواء ، ومسطحة عند القطبين. بالإضافة إلى ذلك ، تتأثر الأقمار الصناعية بالقوى الخارجية المنبعثة من الشمس والقمر. لهذا السبب ، فإنها لا تسقط على سطح الأرض.

يتم الاحتفاظ بها في المدار على وجه التحديد بسبب حقيقة أن كوكبنا ليس مثاليًا في الشكل. يميل مجال الجاذبية المنبثق من الأرض إلى جذب الأقمار الصناعية ، مما يمنع القمر والشمس من فعل الشيء نفسه. هناك تعويض لقوى الجاذبية المؤثرة على الأقمار الصناعية ، ونتيجة لذلك لا تتغير معلمات مداراتها. أثناء اقترابهم من القطبين ، تقل جاذبية الأرض ، وتكون قوة جاذبية القمر أكبر. يبدأ القمر الصناعي في التحرك نحوها. أثناء مروره عبر المنطقة الاستوائية ، يصبح الوضع معاكسًا بشكل مباشر.

هناك نوع من التصحيح الطبيعي لمدار الأقمار الصناعية. لهذا السبب ، فهم لا يسقطون. بالإضافة إلى ذلك ، تحت تأثير جاذبية الأرض ، سيطير القمر الصناعي في مدار دائري ، محاولًا الاقتراب من سطح الأرض. ولكن بما أن الأرض مستديرة ، فإن هذا السطح سوف يهرب منها باستمرار.

يمكن توضيح هذه الحقيقة بمثال بسيط. إذا ربطت وزنًا بحبل وبدأت في تدويره في دائرة ، فسوف يسعى دائمًا للهروب منك ، لكنه لا يستطيع القيام بذلك ، ممسكًا بالحبل ، والذي يمثل ، بالنسبة إلى الأقمار الصناعية ، نظيرًا لجاذبية الأرض . هي التي تحتفظ بالأقمار الصناعية في مدارها ، وتسعى جاهدة للطيران إلى الفضاء الخارجي. لهذا السبب ، سوف يدورون إلى الأبد حول الكوكب. على الرغم من أن هذه مجرد نظرية. هناك عدد كبير من العوامل الإضافية التي يمكن أن تغير هذا الوضع وتتسبب في سقوط القمر الصناعي على الأرض. لهذا السبب ، يتم إجراء تصحيح المدار باستمرار على نفس محطة الفضاء الدولية.

الأرض لديها أكثر من ألف قمر صناعي عامل. وإذا لم نتحول إلى عذارى في تطورنا ، فإن عددهم بحلول نهاية القرن يمكن أن يزداد بترتيب من حيث الحجم. على الرغم من ذلك ، فإن سبب أدائها الناجح نسبيًا ، كما اتضح ، ليس واضحًا تمامًا. نعم ، نعم ، في الواقع يجب أن يسقطوا.

تخيل أرضًا كروية في فراغ. في هذه الحالة ، لا تتأثر مدارات الأقمار الصناعية بالعوامل المزعجة ، ويمكن أن تبقى هناك ، فوق رؤوسنا ، إلى الأبد تقريبًا.

إذا كانت الأرض مستديرة كما في الصورة ، فإن جاذبية القمر ستطرد أي قمر صناعي من مداره في غضون أشهر بدون محركات ذات رنيه قوية. (الرسم التوضيحي Shutterstock.)

تعيش الأرض الحقيقية أيضًا في فراغ ، لكنها ليست كروية تمامًا. بالإضافة إلى ذلك ، لديها القمر - وهو الجسم الذي ، بجاذبيته ، يُدخل الاضطراب الرئيسي في العائلة غير الودية للأقمار الصناعية حول الكواكب والحطام الفضائي. يؤدي التطبيق الأمامي لقوانين الميكانيكا السماوية على تأثير القمر على الأجسام الاصطناعية في الفضاء إلى استنتاج مفاده أنه يجب أن يؤدي في وقت قصير إلى سقوط مثل هذه الأجسام في الغلاف الجوي للأرض مع احتراقها اللاحق.

إذا نظرت بشكل غريزي إلى ملاحك للتأكد من أن الأقمار الصناعية GPS / GLONASS لم تسقط على رأسك بعد ، فإننا نفهمك. يبدو الوضع محيرا بعض الشيء. ما نوع قوة التوفير التي تحافظ على ارتفاع كل هذه الأطنان من الحديد؟

أصبح سكوت تريمين سيئ السمعة وتومر يافيتز من جامعة برينستون (الولايات المتحدة الأمريكية) مهتمين بجدية بهذه المشكلة وحاولا بمساعدة محاكاة الكمبيوتر ما يمنع الأقمار الصناعية من الاصطدام بالأرض. وفقًا للحسابات ، فإن "اللا كروية" المذكورة أعلاه لكوكبنا ، وكذلك تأثير الشمس ، هي المسؤولة عن ذلك.

كوكبنا ، إذا كنت تتذكر ، مسطح قليلاً عند القطبين ومحدب قليلاً على طول خط الاستواء ، وهو نتيجة طبيعية لدورانه. وهذا "التدفق" الاستوائي جدًا يخلق إضافة إلى جاذبية الأرض ، المحسوبة للكرة ، بحيث يتم تعويض أي تأثير للقمر أو الأجسام الكبيرة الأخرى ولا يمكن لقمر صناعي أو آخر التحرك بسرعة في اتجاه واحد ، وعادة ما يكون له عدة سنوات في المدار.

علاوة على ذلك ، إذا لم يكن هناك تأثير جاذبي للشمس ، فلن يكون هذا وحده كافياً للتعويض عن تأثير القمر. وفقط هذه البجع وجراد البحر والبايك هي التي تحافظ على عربة المركبة الفضائية القريبة من الأرض في مكانها ، مما يمنعها من الانزلاق في واد الغلاف الجوي للأرض.


التوضيح Shutterstock.

من المثير للاهتمام أن الحسابات تُظهر بشكل لا لبس فيه أنه إذا كان كوكبنا أقرب قليلاً إلى الكرة ، فإن الأقمار الصناعية ستخرج حتمًا وبسرعة نسبيًا من المدار. من ناحية ، هذا ، بالطبع ، من شأنه أن ينقذنا من بعض الحطام الفضائي. من ناحية أخرى ، ما فائدة الشاحنة التي تصطاد جميع السيارات على الطريق ، وليس فقط تلك المتوقفة بلا مبالاة؟

مقتبس من NewScientist. تنتمي صورة شاشة البداية إلى Shutterstock.

يوجد الآن أكثر من 1000 قمر صناعي في مدار حول الأرض. يؤدون مجموعة متنوعة من المهام ولديهم تصميم مختلف. لكن هناك شيء واحد يوحدهم - الأقمار الصناعية تدور حول الكوكب ولا تسقط.

شرح سريع

في الواقع ، تتساقط الأقمار الصناعية باستمرار على الأرض بسبب تأثيرات الجاذبية. لكنهم يفوتون دائمًا ، لأن لديهم سرعة جانبية يحددها القصور الذاتي عند الإطلاق.

إن دوران القمر الصناعي حول الأرض هو سقوطه المستمر في الماضي.

شرح موسع

إذا رميت الكرة في الهواء ، تعود الكرة إلى الأسفل. إنه بسبب الجاذبية- نفس القوة التي تبقينا على الأرض ولا تسمح لنا بالتحليق في الفضاء الخارجي.

تدخل الأقمار الصناعية في المدار بفضل الصواريخ. يجب أن يقلع الصاروخ تصل إلى 29000 كم / ساعة! هذه السرعة كافية للتغلب على الجاذبية الشديدة وترك الغلاف الجوي للأرض. بمجرد وصول الصاروخ إلى النقطة المرغوبة فوق الأرض ، يطلق القمر الصناعي.

يستخدم القمر الصناعي الطاقة المتلقاة من الصاروخ ليظل متحركًا. هذه الحركة تسمى قوة الدفع.

لكن كيف يبقى القمر الصناعي في المدار؟ ألا تطير في خط مستقيم في الفضاء؟

ليس صحيحا. حتى عندما يكون القمر الصناعي على بعد آلاف الأميال ، فإن جاذبية الأرض لا تزال تسحبه. تؤدي جاذبية الأرض ، جنبًا إلى جنب مع الزخم الناتج عن الصاروخ ، إلى أن يتبع القمر الصناعي مسارًا دائريًا حول الأرض - يدور في مدار.

عندما يكون قمر صناعي في المدار ، يكون له توازن مثالي بين الزخم وجاذبية الأرض. لكن إيجاد هذا التوازن صعب للغاية.

الجاذبية أقوى كلما اقترب الجسم من الأرض. ويجب أن تتحرك الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض بسرعات عالية جدًا للبقاء في المدار.

على سبيل المثال ، يدور القمر الصناعي NOAA-20 على بعد بضع مئات من الكيلومترات فوق الأرض. يجب أن يسافر بسرعة 27300 كم / ساعة للبقاء في المدار.

من ناحية أخرى ، يدور القمر الصناعي NOAA GOES-East حول الأرض على ارتفاع 35405 كم. للتغلب على الجاذبية والبقاء في المدار ، تحتاج إلى سرعة تبلغ حوالي 10780 كم / ساعة.

تقع محطة الفضاء الدولية على ارتفاع 400 كم ، فتبلغ سرعتها 27720 كم / ساعة

يمكن أن تبقى الأقمار الصناعية في المدار لمئات السنين ، لذلك لا داعي للقلق بشأن سقوطها على الأرض.