الفصل السابع منقول من الاستاذ عادل سعد [الأرشيف]

حسام سويفى

06-12-2008, 04:18 PM

الفصل السابع
ارتياد الفضاء

· بدأ غزو الفضاء على يد الاتحاد السوفيتى.
· فى أكتوبر 1957 أطلق الاتحاد السوفيتى قمره الصناعى (سبوتنك 1)
· فى نوفمبر 1957 أطلق الاتحاد السوفيتى قمره الصناعى (سبوتنك 2) يحمل الكلبة لايكا وبعض الأجهزة العلمية.
· فى يناير 1958 أرسلت أمريكا قمرها الصناعى المستكشف (ديسكفرى)
· فى إبريل 1961 أرسل الاتحاد السوفيتى أول رائد فضاء يدور حول الأرض (يورى جاجارين).
· فى إبريل 1969 أرسلت أمريكا مركبة الفضاء (أبوللو 11) وبها (نيل أرمسترونج) كأول رائد فضاء وضع قدمه على سطح القمر.
الصاروخ متعدد المراحل

مهمته:-
(1) وضع صناعى فى مداره حول الأرض.
(2) تحرير مركبة الفضاء من جاذبية الأرض لتقوم برحلتها فى الفضاء نحو أى كوكب.
فكرة عمل الصاروخ: [يعتمد على قانون بقاء كمية الحركة]
حيث تندفع نواتج الاحتراق من مؤخرة الصاروخ بكمية تحرك هائلة فيندفع الصاروخ فى الاتجاه المضاد بنفس كمية الحركة.
تركيب الصاروخ متعدد المراحل: [يتكون من ثلاثة مراحل]
المرحلة الأولى:-

مزودة بخمس محركات تولد دفعاً هائلاً
المرحلة الثانية:-
مزودة بخمس محركات تولد دفعاً أقل من المرحلة الأولى لزيادة سرعة الصاروخ.
المرحلة الثالثة:
مزودة بمحرك واحد يدفع الصاروخ إلى السرعة اللازمة التى تسمح بوضع مركبة الفضاء فى مدارها الصحيح.
علل لما يأتى:-

(1) شكل الصاروخ انسيابى ومدبب من الأمام (مخروطى الشكل) ويشبه القلم الرصاص.
· لإنقاص ضغط الهواء عليه إلى أقل ما يمكن.
· لتقليل مقاومة الهواء لحركة الصاروخ.
(2) تراعى النسبة بين طول الصاروخ وقطره.
· لأن توازن الصاروخ واستقراره فى مساره يعتمد على هذه النسبة.
(3) عدد محركات المرحلة الأولى أكبر من عدد محركات المرحلة الأخيرة.
· لدفع الصاروخ خلال طبقات الهواء الأكبر كثافة.
سرعة الهروب من الجاذبية:-
لكى ينطلق الصاروخ ويفلت من جاذبية الأرض لابد أن تتساوى
طاقة حركته مع طاقة وضعه عند سطح الأرض أو تزيد عليها.
½ m V2 = m g re
½ V2 = g re
V2 = 2 gre
Vesc =
re : نصف قطر الأرض.
g : عجلة الجاذبية الأرضية.
Vesc : سرعة الهروب أو الإفلات من الجاذبية الأرضية.
[س] اثبت أن
العوامل التى تتوقف عليها سرعة الهروب من الجاذبية الأرضية:
(1) نصف قطر الأرض (re)
(2) عجلة الجاذبية الأرضية (g)

[علل] لا تعتمد سرعة الهروب من الجاذبية الأرضية على كتلة الصاروخ.
لأن
سرعة الهروب من الجاذبية لا تعتمد على كتلة الصاروخ.
ملحوظة هامة:
سرعة الإفلات من جاذبية الأرض لا تتوقف على كتلة الجسم.
- إذا كان لدينا جسمين أحدهما كتلته 1000 Kg والآخر كتلته 1Kg
- فإن السرعة اللازمة لهروب أى منهما من الجاذبية = السرعة اللازمة لهروب الآخر.
- مع إهمال مقاومة لأن سرعة الهروب من الجاذبية الأرضية لا تتوقف على الكتلة.
- أى صاروخ يراد له أن يفلت من جاذبية الأرض ينبغى أن تفوق سرعته 11.17 Km/s
- جسم كتلته 10000 Kg سرعة هروبه من الجاذبية 11.17 Km/s
- جسم كتلته 1 Kg سرعة هروبه من الجاذبية 11.17 Km/s

الأقمار الصناعية

تنقسم الأقمار الصناعية إلى نوعين:-
(1) الأقمار الثابتة:-
وتكون هذه الأقمار ثابتة فى مكانها مع دوران الأرض.
(2) الأقمار المتحركة:-
وهى تتحرك بدورها حول الأرض.
تنقسم الأقمار الصناعية من حيث تطبيقاتها إلى:-
(1) أقمار صناعية تستخدم فى الاتصالات.
(2) أقمار صناعية تستخدم فى التطبيقات العسكرية.
(3) أقمار صناعية تستخدم فى الاستشعار عن بعد لرصد الثروات الطبيعية.
(4) أقمار صناعية لرصد الأحوال الجوية.
(5) أقمار صناعية لأبحاث الفضاء.
(6) محطة مدارية لأجراء التجارب الفيزيائية فى ظروف مختلفة (انعدام الوزن)
الشروط الأساسية لاستقرار القمر الصناعى الثابت فى مداره:-
· حتى يستقر القمر الصناعى فى مدار الوقوف يجب أن:
(1) أن يكون فى مستوى خط الاستواء وهو فى مداره.
(2) أن يكون فى نفس اتجاه دوران الأرض.
(3) أن يكون الزمن الدورى فى مداره متساوياً تماماً مع الزمن الدورى للأرض عند دورانها وهو 24 h وبالتالى يبقى على نفس الارتفاع من على الأرض وهى فى حالة الدوران.
(4) أن يكون القمر الصناعى على ارتفاع 3600 Km من مستوى سطح الأرض.
ملحوظة:-
· المدار الذى يستقر فيه القمر الصناعى الثابت يسمى مدار الوقوف.
· الزمن الدورى هو الزمن الذى يستغرقه الجسم فى عمل دورة كاملة.
حركة الأقمار الصناعية حول الأرض
القمر الصناعى:
هو جسم يطلق بسرعة معينة تجعله يستمر فى الحركة على طول مسار منحنى بحيث يبقى بعده ثابتاً عن الأرض.
السرعة المدارية للقمر الصناعى:-
هى السرعة التى ينطلق بها القمر الصناعى والتى تمكنه من الاستمرار فى الحركة على طول مسار محنى شبه دائرى بحيث يبقى بعده ثابتاً عن الأرض.

حساب السرعة المدارية للقمر الصناعى:-
القمر الصناعى الذى يتحرك فى مسار دائرى تقريباً حول الأرض يقع تحت تأثير قوتين متزنتين:
(1) قوة جذب الأرض للقمر الصناعى (وزنه) (Fg)
(2) القوة الجاذبة المركزية (Fc)
Fg = Fc
m g = m
g\ =
V02 = g\ r0
V0 =
V0 : السرعة المدارية للقمر الصناعى.
r0 : نصف قطر المدار الدائرى للقمر الصناعى.
g : عجلة السقوط الحر عند المدار وهى ليست 9.8 m/s2 لاختلاف الارتفاع عن سطح الأرض.

حساب الزمن الدورة الكاملة للقمر الصناعى (T):
طول المسار الدائرى

V0

طول المحيط

V0

“T” زمن الدورة = طول المسار الدائرى

V0

طول المسار الدائرى

V0

طول المسار الدائرى

V0

=

طول المسار الدائرى =
T =
حساب نصف قطر المدار الدائرى للقمر الصناعى (r0):
r0 = re + h aaa Km x 1000 aaa m
[علل] السرعة المدارية للقمر الصناعى لا تعتمد على كتلته.
لأن = V0
السرعة المدارية لا تعتمد على كتلة القمر الصناعى وتتوقف على نصف قطر مداره الدائرى
العوامل التى تتوقف عليها السرعة المدارية للقمر الصناعى:-
· نصف قطر مداره الدائرى (r0) فقط

حساب السرعة المدارية للقمر الصناعى بدلالة كتلة الأرض:-
س: أثبت أن:
Vo =
القمر الصناعى الذى يتخذ مداراً دائرياً حول الأرض يكون متزناً تحت تأثير قوتين:-
(1) قوة جذب الأرض للقمر الصناعى “F” ”قوة جذب مادى“.
(2) القوة الجاذبة المركزية “Fc”.
F = Fc
G
V02 = G
V0 =
V0 : السرعة المدارية للقمر الصناعى.
G : ثابت الجذب العام.
me : كتلة الأرض.
r0 : نصف قطر المدار الدائرى للقمر الصناعى.
حساب عجلة الجاذبية الأرضية عند مدار القمر الصناعى (g\):
= بتربيع الطرفين
G = g\ r0
g\ = G
(g\) : عجلة الجاذبية الأرضية عند مدار القمر الصناعى.
علل: يدور القمر الصناعى فى مسار دائرى حول الأرض؟
ج: لأنه يكون متزناً تحت تأثير قوتين متساويتين فى المقدار ومتضادتين فى الاتجاه وخط عملهما على استقامة واحدة وهما قوة جذب الأرض للقمر الصناعى والقوة الجاذبة المركزية.
علل: تتوقف السرعة المدارية للقمر الصناعى على نصف قطر مداره فقط؟
V0 = G , me ثابتتين
V0
علل: يستطيع الصاروخ التحرك فى الفراغ بينما لا تستطيع الطائرة ذلك؟
لأن الصاروخ يتحرك بالدفع حسب قانون بقاء كمية الحركة أما الطائرة فترتفع وتنخفض حسب الضغط الجوى المؤثر عليها.
الأقمار الصناعية الثابتة

تتخذ الأقمار الصناعية الثابتة مساراً دائرياً ثابتاً حول خط الاستواء وتكون ثابتة فى مواقعها بالنسبة للأرض.120o

120o

120o

قمر صناعى ثابت

قمر صناعى ثابت

قمر صناعى ثابت

إذا كان زمن دورة القمر الصناعى مساوياً لزمن دورة الأرض حول نفسها.
تصور ”أرثر كلارك“
بالإمكان تغطية الكرة الأرضية بثلاثة أقمار صناعية على زوايا 120o بالنسبة لبعضها.
استخدامات الأقمار الثابتة
تستخدم فى بث البرامج التليفزيونية ونقل المكالمات التليفونية واتصالات الجيل الجديد من التليفون المحمول.
انعدام الوزن

· نفرض أن شخصاً داخل المصعد ومعه ميزان زنبركى وكتلة (m)
(1) إذا كان المصعد ساكناً:-
تكون محصلة القوة على الكتلة = صفر
فإذا كان وزن الكتلة = Fg
وقوة الشد فى الميزان = FT
فإن: FT = Fg
FT – Fg = 0
(2) إذا كان المصعد يتحرك بسرعة ثابتة:-
يبقى الحال على ما هو عليه ويكون FT = Fg
(3) إذا كان المصعد يتحرك لأعلى بعجلة (a)
FT – Fg = m a
FT = Fg + m g
وعندئذ يقرأ الميزان الزنبركى وزناً أكبر يسمى (الوزن الظاهرى) أى أن (FT > Fg)
(4) إذا كان المصعد يتحرك لأسفل بعجلة (a)
Fg – FT = ma
FT = Fg – ma
ويكون الوزن الظاهرى أقل أى أن (FT < Fg)
(5) فى حالة حركة المصعد لأسفل بعجلة تساوى عجلة الجاذبية الأرضية:
a = g أى أن
FT = Fg – mg
Fg = mg
FT = 0
وفى هذه الحالة فإن الكتلة لا يكون لها وزن
ومعنى ذلك أن الجسم الساقط سقوطاً حراً ينعدم وزنه.
مثال: رجال المظلات عند سقوطهم سقوطاً حراً.
الحياة فى سفينة الفضاء

(1) يوجد داخل سفينة الفضاء أكسجين وضغط يعادل الضغط الجوى.
لذلك لا يستدعى ارتداء بدلة فضاء داخل السفينة.
(2) يمكن رفع جسم كبير بإصبع واحد.
(3) لا يستطيع رائد الفضاء الشرب بدون ماصة (لأن السائل لا تسرى لأسفل)
(4) يمكن لرائد الفضاء القفز لارتفاعات عالية والبقاء معلقاً.
(5) جذور النباتات تتجه لأعلى لانعدام الجاذبية.
الحياة خارج السفينة

(1) عند الخروج من سفينة الفضاء لابد من ارتداء بدلة الفضاء التى تحتفظ بالأكسجين لمدة 7 ساعات.
(2) خارج السفينة سوف تكون معلقاً بين السماء والأرض.
(3) عند التحرك خارج السفينة لابد من استخدام المحرك النفاث الموجود بالمقعد.
مركبات الفضاء

[1] المكوك الفضائى:-
يمكنه القيام برحلة إلى الفضاء والعودة إلى الأرض مع تكرار الرحلة.
عند عودة المكوك للأرض تستخدم مظلة (براشوت) لتقليل سرعته.
[2] مركبات فضائية:-
على هيئة محطات أو مدن فضائية يعيش فيها رواد الفضاء حياة طريفة.

غزو الفضاء

تم رصد الفضاء باستخدام:-
(1) التلسكوب العاكس.
(2) تلسكوب فضائى (هبل).
(3) بدأ غزو الفضاء برحلة إلى القمر.
(4) استكشاف الشمس ثم كواكب المجموعة الشمسية مثل: الزهرة والمريخ وعطارد ثم المشترى وزحل ويورانوس وبلوتو ونبتون.
علل: عند الخروج من سفينة الفضاء لابد من ارتداء بدلة الفضاء؟
لأن بدلة الفضاء تحتفظ بالأكسجين لمدة 7 ساعات.
علل: داخل سفينة الفضاء تتجه جذور النباتات لأعلى؟
لانعدام الجاذبية.
مسائل

(1) احسب سرعة الهروب لصاروخ علماً بأن عجلة الجاذبية الأرضية 9.8 m/s2 ونصف قطر الأرض 6.36 x 106 m
(2) صاروخ كتلته 100 ton احسب سرعة هروبه من الجاذبية الأرضية علماً بأن نصف قطر الأرض 6400 Km وعجلة الجاذبية الأرضية 9.8 m/s2
(3) قمر صناعى يدور الأرض فى مسار دائرى تقريباً على ارتفاع 400 Km من سطح الأرض فإذا كان نصف قطر الأرض 6400 Km احسب
[أ] سرعته المدارية. [ب] زمن الدورة الكاملة الواحدة للقمر الصناعى.
علماً بأن عجلة الجاذبية الأرضية 9.8 m/s2
(4) قمر صناعى يدور حول الأرض على ارتفاع 440 Km فما مقدار سرعته المدارية إذا كانت كتلة الأرض 6 x 1024 Kg ونصف قطــر الأرض 6360 Km علماً بأن ثابت الجذب العام 6.67 x 10-11 Nm2/Kg2
(5) قمر صناعى يدور بسرعة 8 Km/s احسب ارتفاع القمر الصناعى عن سطح الأرض إذا كان نصف قطر الأرض 6400 Km وعجلة الجاذبـية الأرضية 8 m/s2 وكذلك احسب الزمن الدورى.
(6) إذا كان زمن دورة واحدة لقمر صناعى حول الأرض 96 min وطول المسار حول الأرض 48384 Km أوجد
[1] سرعته المدارية
[2] ارتفاع القمر الصناعى عن سطح الأرض.
علماً بأن نصف قطر الأرض = 6400 Km
وعجلة السقوط الحر = 9.8 m/s2