اهداف یادگیری
در پایان این درس، باید بتوانید؛
- مدار را تعریف کنید
- حرکت اجسام در مدارشان را شرح دهد.
- پرتاب به مدار را شرح دهید.
- انواع مدارها را توضیح دهید.
مدار به یک مسیر منحنی اشاره دارد که یک جسم آن را دنبال می کند. برای مثال، مسیری که زمین به دور خورشید دنبال می‌کند، و مسیری که سیاره‌ای به دور یک ستاره دنبال می‌کند. ماهواره های طبیعی یا مصنوعی نیز یک مدار را دنبال می کنند. به طور معمول، یک مدار مسیری است که به طور منظم تکرار می شود. با این حال، مدار می تواند به مسیر غیر تکراری نیز اشاره داشته باشد.
حرکت اجسام به دنبال مدار تحت تأثیر نیروی گرانش است و می توان آن را با استفاده از مکانیک نیوتنی تقریب زد.
مدارها را می توان به روش های رایج زیر درک کرد.
- هنگامی که جسم سعی می کند در یک خط مستقیم پرواز کند، نیرویی مانند گرانش جسم را از طریق یک مسیر منحنی می کشد.
- هنگامی که یک جسم به سمت یک جسم عظیم کشیده می شود، جسم به سمت بدن می افتد. با این حال، اگر جسم دارای سرعت مماسی کافی باشد، همچنان مسیر را دنبال می کند و به بدن نمی افتد. به جسمی که به دور بدن می چرخد گفته می شود.
اجسامی در فضا که جرم دارند به دلیل جاذبه به یکدیگر جذب می شوند. هنگامی که این اجسام به هم نزدیک می شوند، با حرکت کافی، به دور یکدیگر می چرخند.
اجسامی که جرم یکسانی دارند بدون هیچ چیز در مرکز به دور یکدیگر می چرخند. اجسام کوچک در فضا به دور اجسام بزرگتر می چرخند. مثلاً در منظومه شمسی ماه به دور زمین می گردد و زمین به دور خورشید می گردد. با این حال، برخی از اجسام بزرگتر کاملاً ثابت نمی مانند. به دلیل جاذبه زمین، ماه کمی از مرکز خود کشیده می شود. این باعث جزر و مد در اقیانوس های ما می شود. زمین نیز کمی از مرکز خود توسط زمین و همچنین سیارات دیگر کشیده شده است.
در طول ایجاد منظومه شمسی، غبار، یخ و گاز در فضا با حرکت و سرعت حرکت کردند و خورشید را به صورت ابر احاطه کردند. از آنجایی که خورشید بزرگتر از این اجرام است، آنها توسط گرانش به سمت خورشید جذب شدند و حلقه ای در اطراف آن تشکیل دادند.
با گذشت زمان، این ذرات شروع به جمع شدن در کنار هم کردند و بزرگتر شدند تا اینکه سیارات، سیارک ها و قمرها را تشکیل دادند. به همین دلیل است که سیارات به دور خورشید می چرخند و در همان جهت ذرات و تقریباً در یک صفحه می چرخند.
هنگامی که موشک ها ماهواره ها را پرتاب می کنند، آنها را در مدار در فضا قرار می دهند. ماهواره با نیروی گرانش در مدار نگه داشته می شود. به همین ترتیب، ماه توسط نیروی جاذبه در مدار زمین نگه داشته می شود.
توجه داشته باشید که در فضا، هوا وجود ندارد. بنابراین هیچ اصطکاک هوایی وجود ندارد که مانع حرکت یک جسم در فضا شود. گرانش باعث می شود ماهواره ها بدون مقاومت بیشتر به دور زمین بچرخند. ارسال ماهواره به مدار زمین ما را قادر می سازد تا از فناوری در زمینه های مختلف مانند مخابرات، پیش بینی آب و هوا، ناوبری و مشاهدات نجومی استفاده کنیم.
پرتاب به مدار
پرتاب ماهواره ها به مدار با استفاده از موشک انجام می شود. انتخاب وسیله پرتاب در درجه اول به جرم ماهواره و فاصله ای از زمین که ماهواره برای طی کردن نیاز دارد بستگی دارد. یک مدار در ارتفاع بالا یا یک محموله سنگین به قدرت بیشتری برای غلبه بر گرانش زمین نیاز دارد.
انواع مدارها
هنگامی که یک ماهواره یا فضاپیما پرتاب می شود، در یکی از مدارهای زیر قرار می گیرد.
- مدار زمین ثابت. تصویر بالا تصویری از یک مدار زمین ثابت است. ماهواره ها در این مدار از غرب به شرق، بالای استوا و به دنبال چرخش زمین، دور زمین می چرخند. آنها با همان سرعت زمین حرکت می کنند و 23 ساعت و 56 دقیقه و 4 ثانیه طول می کشد تا یک چرخش کامل شود. این امر باعث می شود که ماهواره های موجود در این مدار در یک موقعیت ثابت ثابت به نظر برسند. برای تطابق کامل با چرخش زمین، سرعت ماهواره ها در این مدار تقریباً 3 کیلومتر در ثانیه و ارتفاع 35786 کیلومتر است.
- مدار پایین زمین. تصویر بالا تصویری از مدار پایین زمین است. این مدار نسبتا نزدیک به مدار زمین است. در ارتفاع کمتر از 1000 کیلومتری قرار دارد و می تواند تا 160 کیلومتری سطح زمین قرار گیرد. ماهواره های موجود در این مدار مجبور نیستند مسیر خاصی را در اطراف زمین طی کنند. بیش از یک مسیر موجود در این مدار وجود دارد. این باعث می شود که این مدار پرکاربردترین مدار باشد. این مداری است که برای ایستگاه فضایی بین المللی استفاده می شود. به دلیل نزدیکی به زمین، برای تصاویر ماهواره ای استفاده می شود و تصاویری با وضوح بالا تولید می کند.
- مدار زمین متوسط تصویر بالا تصویری از یک مدار زمین متوسط است. این از طیف وسیعی از مدارها تشکیل شده است. ماهواره های موجود در این مدار نیازی به طی کردن مسیرهای خاصی ندارند. بیشتر توسط ماهواره های ناوبری استفاده می شود.
- مدار قطبی تصویر بالا تصویری از یک مدار قطبی است. ماهواره ها در این مدار از شمال به جنوب بر فراز قطب های زمین حرکت می کنند. ماهواره ها در این مدار لزوما از کنار قطب ها عبور نمی کنند، زیرا می توانند بین 20 تا 30 درجه منحرف شوند. مدارهای قطبی در ارتفاعات کم، در 200 تا 1000 کیلومتری زمین یافت می شوند. مدار همگام خورشید نوعی مدار قطبی است که بر روی مناطق قطبی می‌چرخد و با خورشید هم‌زمان است. این بدان معناست که ماهواره‌های موجود در این مدار برای قرار گرفتن در یک موقعیت نسبت به خورشید هماهنگ شده‌اند.
- مدار انتقال تصویر بالا تصویری از مدار انتقال است. از این مدارها برای رسیدن از یک مدار به مدار دیگر استفاده می شود. زمانی که ماهواره ها در این مدار قرار دارند، به راحتی می توان آنها را به مدار دیگری منتقل کرد. این به ماهواره ها اجازه می دهد تا بدون نیاز به وسیله پرتاب برای حمل آن در تمام مسیر به مداری در ارتفاع بالا برسند.
خلاصه
ما یاد گرفتیم که؛
- مدار به یک مسیر منحنی اشاره دارد که یک جسم آن را دنبال می کند.
- حرکت اجسام به دنبال یک مدار تحت تأثیر نیروی گرانش است.
- اجسامی که جرم یکسانی دارند بدون هیچ چیز در مرکز به دور یکدیگر می چرخند اما اجسام کوچک در فضا به دور اجسام بزرگتر می چرخند.
- ما از موشک برای پرتاب ماهواره به مدارهای فضایی استفاده می کنیم.
