حتى في العصور القديمة ، عرف مراقبو النجوم أن الكواكب تختلف عن النجوم. بينما تظهر النجوم دائمًا في نفس المكان العام في سماء الليل ، غيرت الكواكب مواقعها من الليل إلى الليل. يبدو أنهم يتحركون عبر خلفية النجوم. في بعض الأحيان ، بدت الكواكب وكأنها تتحرك إلى الوراء. (يُعرف هذا السلوك بالحركة العكسية.) كان من الصعب تفسير هذه الحركات الغريبة عبر السماء.
بعد ذلك ، في القرن السابع عشر ، حدد يوهانس كبلر الأنماط الرياضية في حركات الكواكب. علم الفلكيون قبله أن الكواكب تدور حول الشمس أو تدور حولها. لكن كبلر كان أول من وصف تلك المدارات - بشكل صحيح - بالرياضيات. كما لو كان يقوم بتجميع أحجية الصور المقطوعة ، رأى كبلر كيف تتلاءم أجزاء البيانات معًا. لخص رياضيات الحركة المدارية بثلاثة قوانين:
- المسار الذي يسلكه كوكب حول الشمس عبارة عن قطع ناقص وليس دائرة. القطع الناقص هو شكل بيضاوي. هذا يعني أنه في بعض الأحيان يكون الكوكب أقرب إلى الشمس منه في الأوقات الأخرى.
- تتغير سرعة الكوكب أثناء تحركه على طول هذا المسار. تتسارع سرعة الكوكب عندما يمر بالقرب من الشمس ويبطئ كلما ابتعد عن الشمس.
- يدور كل كوكب حول الشمس بسرعة مختلفة. تتحرك الأبعد منها بشكل أبطأ من تلك الأقرب إلى النجم.
ما زال كبلر غير قادر على تفسير السبب تتبع الكواكب مسارات بيضاوية وليست دائرية. لكن قوانينه يمكن أن تتنبأ بمواقع الكواكب بدقة لا تصدق. بعد ذلك ، بعد حوالي 50 عامًا ، شرح الفيزيائي إسحاق نيوتن آلية لماذا نجحت قوانين كبلر:الجاذبية. تجذب قوة الجاذبية الأجسام الموجودة في الفضاء لبعضها البعض - مما يتسبب في ثني حركة أحد الأجسام باستمرار تجاه الآخر.
في جميع أنحاء الكون ، تدور جميع أنواع الأجرام السماوية حول بعضها البعض. الأقمار والمركبات الفضائية تدور حول الكواكب. المذنبات والكويكبات تدور حول الشمس - حتى الكواكب الأخرى. تدور شمسنا حول مركز مجرتنا ، درب التبانة. المجرات تدور حول بعضها البعض أيضًا. تنطبق قوانين كبلر التي تصف المدارات على كل هذه الأجسام عبر الكون.
دعونا نلقي نظرة على كل قانون من قوانين كبلر بمزيد من التفصيل.
قانون كبلر الأول:القطع الناقصة
لوصف شكل القطع الناقص ، يستخدم العلماء كلمة الانحراف المركزي (Ek-sen-TRIS-sih-tee). هذا الانحراف هو رقم بين 0 و 1. الدائرة الكاملة لها انحراف 0. المدارات ذات الانحرافات الأقرب إلى 1 هي بالفعل أشكال بيضاوية ممتدة.
مدار القمر حول الأرض له انحراف قدره 0.055. هذه دائرة مثالية تقريبًا. المذنبات لها مدارات غريبة الأطوار. مذنب هالي ، الذي يصدر أزيزًا بالقرب من الأرض كل 75 عامًا ، له انحراف مداري يبلغ 0.967.
(من الممكن أن يكون لحركة جسم ما انحراف مركزي أكبر من 1. لكن مثل هذا الانحراف الشديد يصف جسمًا يجلد حول آخر في شكل U عريض - لا يعود أبدًا. لذلك ، بالمعنى الدقيق للكلمة ، لن يدور حول الكائن كان مساره منحنيًا.)
تعتبر الأشكال الناقصة مهمة جدًا للتخطيط لمدار مركبة فضائية. إذا كنت تريد إرسال مركبة فضائية إلى المريخ ، فعليك أن تتذكر أن المركبة الفضائية تبدأ من الأرض. قد يبدو ذلك سخيفًا في البداية. ولكن عندما تطلق صاروخًا ، فإنه سيتبع بشكل طبيعي القطع الناقص لمدار الأرض حول الشمس. للوصول إلى المريخ ، يجب أن يتغير المسار الإهليلجي للمركبة الفضائية حول الشمس ليناسب مدار المريخ.
مع بعض الرياضيات المعقدة للغاية - "علم الصواريخ" الشهير - يمكن للعلماء التخطيط لمدى السرعة والارتفاع الذي يحتاجه الصاروخ لإطلاق مركبة فضائية. بمجرد أن تكون المركبة الفضائية في مدار حول الأرض ، تقوم مجموعة منفصلة من المحركات الأصغر بتوسيع مدار المركبة ببطء حول الشمس. من خلال التخطيط الدقيق ، فإن القطع الناقص المداري الجديد للمركبة الفضائية سوف يتطابق تمامًا مع المريخ في الوقت المناسب تمامًا. يسمح ذلك للمركبة الفضائية بالوصول إلى الكوكب الأحمر.
قانون كبلر الثاني:تغيير السرعات
النقطة التي يقترب فيها مدار كوكب ما من الشمس هي الحضيض الشمسي . يأتي المصطلح من الكلمة اليونانية peri ، أو بالقرب ، و helios ، أو الشمس.
تصل الأرض إلى نقطة الحضيض في أوائل شهر يناير. (قد يبدو هذا غريبًا بالنسبة للناس في نصف الكرة الشمالي ، الذين يمرون بفصل الشتاء في يناير. لكن مسافة الأرض عن الشمس ليست سبب فصولنا. هذا بسبب ميل محور دوران الأرض.) عند الحضيض ، تتحرك الأرض الأسرع في مداره ، حوالي 30 كيلومترًا (19 ميلاً) في الثانية. بحلول أوائل شهر تموز (يوليو) ، يكون مدار الأرض في أبعد نقطة له عن الشمس. بعد ذلك ، تتحرك الأرض بشكل أبطأ على طول مسارها المداري - حوالي 29 كيلومترًا (18 ميلاً) في الثانية.
الكواكب ليست هي الأجسام الوحيدة التي تدور في مدارها والتي تتسارع وتبطئ مثل هذا. عندما يقترب شيء ما في المدار من الجسم الذي يدور حوله ، فإنه يشعر بجاذبية أقوى. نتيجة لذلك ، فإنه يتسارع.
يحاول العلماء استخدام هذا التعزيز الإضافي عند إطلاق مركبة فضائية إلى كواكب أخرى. على سبيل المثال ، قد يطير المسبار المرسل إلى المشتري عبر المريخ في الطريق. مع اقتراب المركبة الفضائية من المريخ ، تتسبب جاذبية الكوكب في تسريع المسبار. يدفع هذا التعزيز الجاذبي بالمركبة الفضائية نحو المشتري أسرع بكثير مما يمكن أن تسافر بمفردها. وهذا ما يسمى تأثير المقلاع. يمكن أن يؤدي استخدامه إلى توفير الكثير من الوقود. تقوم الجاذبية ببعض الأعمال ، لذلك تحتاج المحركات إلى عمل أقل.
قانون كبلر الثالث:المسافة والسرعة
على مسافة 4.5 مليار كيلومتر (2.8 مليار ميل) ، تكون قوة جاذبية الشمس على نبتون قوية بما يكفي لإبقاء الكوكب في مداره. لكنها أضعف بكثير من جر الشمس على الأرض ، التي تبعد فقط 150 مليون كيلومتر (93 مليون ميل) عن الشمس. لذلك ، يسافر نبتون على طول مداره ببطء أكثر من الأرض. يبحر حول الشمس بسرعة 5 كيلومترات (3 أميال) في الثانية. تدور الأرض حول الشمس بسرعة 30 كيلومترًا (19 ميلاً) في الثانية.
نظرًا لأن الكواكب البعيدة تتحرك ببطء أكثر حول مدارات أوسع ، فإنها تستغرق وقتًا أطول لإكمال مدار واحد. تُعرف هذه الفترة الزمنية بالسنة. على نبتون ، يدوم حوالي 60 ألف يوم من أيام الأرض. على الأرض ، أقرب بكثير من الشمس ، يبلغ طول السنة أكثر بقليل من 365 يومًا. وعطارد ، الكوكب الأقرب إلى الشمس ، يختتم عامه الخاص كل 88 يومًا من أيام الأرض.
تؤثر هذه العلاقة بين مسافة الجسم المداري وسرعته على مدى سرعة الأقمار الصناعية في التقريب حول الأرض. تدور معظم الأقمار الصناعية - بما في ذلك محطة الفضاء الدولية - على ارتفاع 300 إلى 800 كيلومتر (200 إلى 500 ميل) فوق سطح الأرض. تكمل تلك الأقمار الصناعية التي تحلق على ارتفاع منخفض مدارًا واحدًا كل 90 دقيقة أو نحو ذلك.
بعض المدارات العالية جدًا - حوالي 35000 كيلومتر (20000 ميل) من الأرض - تجعل الأقمار الصناعية تتحرك بشكل أبطأ. في الواقع ، تتحرك هذه الأقمار الصناعية ببطء كافٍ لتلائم سرعة دوران الأرض. هذه المركبات في متزامنة مع الأرض مدار (Gee-oh-SIN-kron-ous). نظرًا لأنها تبدو ثابتة فوق دولة أو منطقة واحدة ، غالبًا ما تُستخدم هذه الأقمار الصناعية لتتبع الطقس أو اتصالات الترحيل.
عند الاصطدامات ومواقع "وقوف السيارات"
قد تكون المساحة ضخمة ، لكن كل شيء بداخلها يتحرك دائمًا. من حين لآخر ، يتقاطع مداران مع بعضهما البعض. وهذا يمكن أن يؤدي إلى الاصطدامات.
تمتلئ بعض الأماكن بأشياء في مدارات متقاطعة. ضع في اعتبارك كل النفايات الفضائية التي تدور حول الأرض. تتصادم أجزاء الحطام هذه باستمرار مع بعضها البعض - وأحيانًا مع المركبات الفضائية المهمة. يمكن أن يكون التنبؤ بمكان وجود قطع الحطام التي يحتمل أن تكون خطرة في هذا السرب أمرًا معقدًا للغاية. لكن الأمر يستحق ذلك ، إذا كان بإمكان العلماء توقع حدوث تصادم ونقل مركبة فضائية بعيدًا عن طريقها.
في بعض الأحيان ، قد لا يتمكن هدف الاصطدام المحتمل من تحويل مساره. فكر في نيزك أو صخرة فضائية أخرى قد يضعها مدارها في مسار تصادم مع الأرض. إذا كنا محظوظين ، فإن تلك الصخور القادمة سوف تحترق في الغلاف الجوي للأرض. ولكن إذا كانت الصخرة أكبر من أن تتفكك تمامًا في طريقها عبر الهواء ، فقد تصطدم بالأرض. وقد يكون ذلك كارثيًا - تمامًا كما حدث للديناصورات قبل 66 مليون سنة. لتجنب هذه المشاكل ، يبحث العلماء في كيفية تحويل مدار الصخور الفضائية القادمة. يتطلب ذلك عددًا صعبًا بشكل خاص من الحسابات المدارية.
إنقاذ الأقمار الصناعية - وربما درء نهاية العالم - ليست الأسباب الوحيدة لفهم المدارات.
في القرن الثامن عشر الميلادي ، حدد عالم الرياضيات جوزيف لويس لاغرانج مجموعة خاصة من النقاط في الفضاء حول الشمس وأي كوكب معين. عند هذه النقاط ، تحقق جاذبية الشمس والكوكب توازنًا. نتيجة لذلك ، يمكن لمركبة فضائية متوقفة في تلك البقعة أن تبقى هناك دون حرق الكثير من الوقود. اليوم ، تُعرف هذه بنقاط لاغرانج.
إحدى هذه النقاط ، والمعروفة باسم L2 ، مفيدة بشكل خاص للتلسكوبات الفضائية التي تحتاج إلى البقاء باردة جدًا. يستفيد تلسكوب جيمس ويب الفضائي الجديد ، أو JWST ، من ذلك.
عند الدوران في L2 ، يمكن أن يشير JWST بعيدًا عن الأرض والشمس. هذا يسمح للتلسكوب بعمل ملاحظات في أي مكان في الفضاء. ونظرًا لأن L2 يبعد حوالي 1.5 مليون كيلومتر (مليون ميل) عن الأرض ، فهو بعيد بما فيه الكفاية عن كل من الأرض والشمس للحفاظ على برودة أدوات JWST للغاية. لكن L2 يسمح أيضًا لـ JWST بالبقاء على اتصال دائم بالأرض. نظرًا لأن JWST يدور حول الشمس عند L2 ، فستظل دائمًا على نفس المسافة من الأرض - لذلك يمكن للتلسكوب إرسال مناظره المذهلة إلى المنزل أثناء مواجهة الكون.
