لماذا لا يسقط القمر الصناعي؟

لماذا لا يسقط القمر الصناعي

تُعد الأقمار الصناعية من أعظم منجزات العصر الفضائي الحديث، حيث تدور حول الأرض منذ عقود وتقدم خدمات هائلة في مجالات الاتصالات والملاحة والمراقبة المناخية والاستشعار عن بُعد. غير أن السؤال الذي قد يطرحه الكثيرون هو: لماذا لا تسقط هذه الأقمار على الأرض بالرغم من أنها خاضعة لجاذبيتها؟ للإجابة على هذا السؤال لا بد من الغوص في مفاهيم فيزيائية دقيقة تتعلق بالحركة المدارية والجاذبية والسرعة النسبية، إضافة إلى فهم بيئة الفضاء وآلية الإطلاق والدوران.

المفهوم الفيزيائي لحركة القمر الصناعي

القمر الصناعي هو جسم من صنع الإنسان يتم إطلاقه إلى الفضاء ويوضع في مدار معين حول الأرض. ولكي يتمكن من البقاء في هذا المدار من دون أن يسقط، يجب أن تتحقق شروط دقيقة تتعلق بالسرعة والارتفاع والجاذبية الأرضية. فعلى الرغم من أن الأرض تجذب القمر الصناعي بقوة الجاذبية نحو مركزها، إلا أن السرعة الأفقية العالية التي يمتلكها القمر تخلق توازناً بين قوى الجذب والحركة، مما يؤدي إلى ما يُعرف بالحركة المدارية المستقرة.

التوازن بين الجاذبية والسرعة المدارية

لفهم سبب بقاء القمر الصناعي في مداره، يجب النظر إلى مبدأ التوازن الديناميكي بين قوتين رئيسيتين:

• قوة الجاذبية الأرضية (Fg): تعمل هذه القوة على جذب القمر الصناعي نحو مركز الأرض.

• القوة الناتجة عن السرعة المدارية (Fc): وتسمى أحياناً القوة الطردية المركزية، وهي ليست قوة حقيقية بل ناتجة عن ميل الجسم المتحرك للبقاء في حركته الخطية.

عندما تكون السرعة المدارية للقمر مناسبة تمامًا لارتفاعه عن سطح الأرض، فإن هاتين القوتين تتوازنان، فيستمر القمر في الحركة ضمن مدار شبه دائري أو إهليلجي دون أن يسقط أو يبتعد.

السرعة المدارية اللازمة

تعتمد السرعة المدارية المطلوبة على ارتفاع المدار عن سطح الأرض. فكلما ارتفع القمر الصناعي عن سطح الأرض، كلما قلت قوة الجاذبية المؤثرة عليه، وبالتالي احتاج إلى سرعة أقل ليبقى في مداره.

الجدول الآتي يوضح السرعة المدارية المطلوبة عند ارتفاعات مختلفة:

كل هذه السرعات ليست عشوائية، بل هي نتائج مباشرة لقانون الجاذبية لنيوتن وقوانين كبلر للحركة الكوكبية.

كيف يتم إطلاق القمر الصناعي إلى المدار؟

تبدأ رحلة القمر الصناعي من منصة إطلاق أرضية، حيث يُثبت على صاروخ يحمل محركات قوية قادرة على التغلب على الجاذبية الأرضية والانطلاق بسرعة كافية لإيصاله إلى مدار محدد مسبقًا. بعد أن يصل إلى الارتفاع المطلوب، تنفصل المرحلة النهائية من الصاروخ، ويبدأ القمر في التحرك بسرعة أفقية تكفل بقاءه في مداره.

تُحسب هذه السرعة بدقة شديدة لأن أي زيادة أو نقصان فيها قد يؤدي إلى خروج القمر من المدار المحدد أو سقوطه على الأرض أو حتى انجرافه نحو الفضاء.

قانون نيوتن الثاني والثالث في تفسير بقاء القمر الصناعي

اعتمد إسحاق نيوتن في تفسير الحركة المدارية على قوانينه الثلاثة في الحركة، خصوصًا:

• القانون الأول: الجسم يظل على حالته من السكون أو الحركة المنتظمة ما لم تؤثر عليه قوة خارجية.

• القانون الثاني: القوة تساوي حاصل ضرب الكتلة في التسارع (F = ma).

• القانون الثالث: لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه.

تطبيق هذه القوانين يوضح أن القمر الصناعي يتحرك باستمرار بسرعة معينة في خط منحني (مدار)، لأن الجاذبية تؤثر عليه دائمًا، وتجعله يغيّر اتجاهه نحو مركز الأرض، ما ينتج عنه مسار دائري أو بيضوي.

لماذا لا يبطئ القمر الصناعي حركته تدريجيًا ويسقط؟

في الفضاء الخارجي لا توجد مقاومة هوائية كبيرة كما هو الحال في الغلاف الجوي للأرض. لذلك، لا يفقد القمر الصناعي طاقته الحركية بسرعة. ولكن في الواقع، الأقمار الصناعية القريبة من الأرض (في المدار المنخفض LEO) تتأثر بآثار خفيفة للغلاف الجوي العلوي، مما يسبب لها احتكاكًا بسيطًا يؤدي تدريجيًا إلى تقليل سرعتها المدارية.

نتيجة لذلك، فإن الأقمار الصناعية التي تدور على ارتفاعات منخفضة تبدأ بعد فترة بالانخفاض التدريجي حتى تحترق في الغلاف الجوي. لكن هذا قد يستغرق سنوات أو حتى عقود، ويتم حسابه بدقة عند تصميم عمر المهمة الفضائية.

أنواع المدارات وعلاقتها بعدم السقوط

يوجد عدة أنواع من المدارات التي تعتمد على ارتفاع القمر الصناعي ووظيفته:

1. المدار المنخفض (LEO): بين 160 و2000 كم. تُستخدم فيه معظم الأقمار لرصد الأرض والاستشعار عن بُعد.

2. المدار المتوسط (MEO): بين 2000 و35786 كم. غالباً ما يُستخدم لأقمار الملاحة مثل GPS.

3. المدار الثابت (GEO): عند ارتفاع 35786 كم، حيث يدور القمر بنفس سرعة دوران الأرض، مما يجعله ثابتًا فوق نفس النقطة.

4. المدار القطبي: يعبر فوق القطبين الشمالي والجنوبي، ويغطي كامل سطح الأرض خلال فترة زمنية قصيرة.

في كل هذه الحالات، يتم ضبط السرعة والارتفاع لتحقيق التوازن الديناميكي المطلوب.

أهمية التوقيت في إطلاق الأقمار الصناعية

لا يقتصر الأمر على تحديد الموقع والسرعة فقط، بل يجب أن يتم إطلاق القمر الصناعي في توقيت مناسب يضمن التقاءه مع المدار المستهدف في اللحظة الصحيحة. يُحسب ذلك باستخدام معادلات مدارية دقيقة تعتمد على الزمن والموقع والميل المداري والزمن الذي يجب أن يستغرقه لإكمال دورة كاملة حول الأرض.

لماذا لا تتصادم الأقمار الصناعية مع بعضها البعض؟

في الوقت الراهن، تدور آلاف الأقمار الصناعية حول الأرض في مدارات مختلفة. ولكي يتم تجنب التصادمات، تُدار هذه الأقمار ضمن منظومات تحكم دقيقة تسمى “مراقبة المرور الفضائي” (Space Traffic Management). تشمل هذه المنظومات:

• تحديد المسارات المدارية بدقة.

• تجنب إدخال أكثر من قمر في نفس المدار والاتجاه.

• متابعة القمر في كل مراحل دورانه عبر محطات أرضية.

ورغم وجود بعض الحوادث النادرة لتصادم الأقمار الصناعية أو اصطدامها بالحطام الفضائي، إلا أن الاحتمال ما زال منخفضًا بفضل التطورات التقنية الكبيرة في هذا المجال.

التأثيرات الخارجية المحتملة

توجد بعض القوى الخارجية التي قد تؤثر على مدارات الأقمار الصناعية وتسبب انحرافات طفيفة فيها، منها:

• الضغط الإشعاعي للشمس.

• تأثير جاذبية القمر والشمس.

• عدم تجانس الجاذبية الأرضية (بسبب تضاريس الأرض واختلاف الكثافة).

يتم أخذ كل هذه العوامل بعين الاعتبار عند تصميم المدار لتفادي فقدان القمر أو انحرافه.

نهاية عمر القمر الصناعي

عندما تنتهي مهمة القمر الصناعي أو يقترب من انتهاء عمره الافتراضي، يتم تنفيذ ما يعرف بـ”مناورة التخلص المداري”. وتشمل هذه المناورة:

• إعادة الدخول الجوي: حيث يُخفض مدار القمر ليدخل الغلاف الجوي ويحترق.

• نقله إلى مدار قبر (Graveyard Orbit): في حالة الأقمار الجغرافية، يتم نقل القمر إلى مدار أعلى بمئات الكيلومترات حيث لا يعيق بقية الأقمار.

الخلاصة العلمية

القمر الصناعي لا يسقط على الأرض بسبب التوازن الدقيق بين الجاذبية الأرضية التي تجذبه نحو الأسفل، والسرعة الأفقية التي يمتلكها والتي تدفعه في مسار منحني حول الأرض. هذه السرعة المدروسة بعناية هي التي تجعل القمر يدور حول الأرض بدلاً من السقوط عليها، كما أن البيئة الفضائية التي تفتقر إلى الاحتكاك تجعل هذا التوازن يستمر لفترات طويلة دون فقدان الطاقة.

المراجع:

1. Newton, Isaac. Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, 1687.

2. ESA – European Space Agency: www.esa.int