تكلمنا في مقالات سابقة تاريخ الأقمار الصناعية (أقرأها من هنا) وفسرنا كيف تدور الأقمار الصناعية في مدارات محددة حول الكرة الأرضية. وقبل أن نذكر الاستخدامات المختلفة للأقمار الصناعية في حياتنا اليومية، علينا أن نستعرض الخطوات الأولى التي خطتها البشرية لفهم حركة الأجرام السماوية ككل والأقمار الصناعية كحالة خاصة.
ابتكر لابلاس مصطلح الميكانيكا السماوية (Celestial mechanics) ويعود الميكانيك السماوي الحديث إلى عام 1687 بإصدار نيوتن كتابه “Principa Mathematica” والذي وصف فيه قانون الجاذبية والحركة للمرة الأولى ومن بعده حمل لوائه لابلاس حيث كان مؤرخو العلوم قد أطلقوا عليه لقب (نيوتن فرنسا) وقد استحق هذه الاسم بفضل أعماله المرموقة في مجال ميكانيكا الأجرام السماوية التي توج بها جهود ثلاثة أجيال من علماء الفلك والرياضيات. اهتم لابلاس بميكانيكا الأجسام الفلكية وطور نظرية حول نشأة المنظومة الشمسية. وفي عام 1796م أصدر أهم كتاب له بعنوان (شرح نظام العالم) هذا هو التاريخ المبسط للفظة الميكانيك السماوي.
يهتم في حركه الاقمار الصناعيه بحركه الاجسام السماوية تحت تاثير قوه جذب متبادل ابسط اشكال هذا الجذب هو لجذب المتبادل بين جسمين وبمعرفه موقعي وسرعتي جسمين معروفين في زمن ما يتحركان تحت تأثير قوي جذب متبادلة يمكن حساب موقعهم وسرعتهم في اي زمن.
قوانين كيبلر ونيوتن:
تمكن أحد أكبر علماء الفيزياء والفلك وهو جوهانز كيبلر من خلال دراسة طويلة لحركة الكواكب حول الشمس وبالاعتماد على قياساته التي أجراها بنفسه من وضع قوانين تصف حركة الكواكب السيارة حول الشمس وذلك في الفترة (1609 ـ 1619م). عرفت هذه القوانين بقوانين كبلر وتتضمن ثلاثة قوانين هامة، ما زالت تستخدم حتى الآن لمعرفة مسارات الكواكب والمذنبات وبالطبع الأقمار الصناعية.
ينص قانون كبلر الأول على أن الكواكب تدور حول الشمس في مدارات بيضاوية (اهليجية) بحيث تكون الشمس في إحدى بؤرتي المدار. تعرف نقطة الحضيض (apocenter) بأنها أقرب نقطة في المدار إلى مركز الشمس ونقطة الأوج ((percenter بأبعد نقطة في المدار عن مركز الشمس. لقد جاء هذا القانون مؤيداً لأفكار الفلكي البولندى كوبرنيكوس حول مركزية
الشمس، وتلي ذلك اكتشاف جاليليو لأقمار المشترى عام 1610 وأقمار زحل
فيما بعد وكلها تتبع قوانين كبلر. ثم أوضح نيوتنغام في عام 1687 أن الجسم المتحرك في مدار حول جسم آخر وبينهما قوة تجاذب تتناسب عكسياً مع مربع المسافة بينهما، يجب أن يتحركا في مدار إهليلجي إذا كانت السرعة أقل من حد معين يتناسب مع قوة الجاذبية. ولهذا لا يقتصر القانون الأول على الأجسام الدائرة حول الشمس فقط وإنما ينطبق على حركة كل الأجسام السماوية الأخرى.
ستتغير سرعة الكوكب في دورانه الشمس، فسيتحرك أسرع عندما يكون قرب الشمس وأبطئ بعيدا عنها (في نقطة الحضيض) وكذلك ستتغير المسافة بينه وبين الشمس لكن القانون الثاني لكيبلر ينص على أنه عند دوران الكوكب حول الشمس فإن الخط الذي يصل الكوكب بالشمس يغطي مساحات متساوية في أوقات متساوية ويدعى هذا القانون أيضا بقانون المساحات ويصف سرعة الكوكب في مداره. وقد تناول نيوتن هنا القانون بإيضاح بأنه ليس من الضروري أن تتغير القوى عكسياً تبعاً لمربع المسافة، حيث يسرى القانون على كل قوى التجاذب المتبادل بين الجسمين فالقانون الثاني يعبر عن مبدأ حفظ كمية الحركة الزاوية.
أما القانون الثالث فإنه يبين أن مربع زمن دورة الكوكب حول الشمس يتناسب تناسباً طردياً مع مكعب نصف المحور الكبير (أو متوسط المسافة بين الكوكب والشمس). وقد وجد أن أقمار جاليليو الأربعة الدائرة حول المشترى تتبع هذا القانون، وكذلك أقمار زحل. ثم وضح نيوتن بعد ذلك أن هذا القانون ينطبق على أنظمة التوابع التى تدور حول جسم مركزى يتجاذب معهم، مثلما تجذب الشمس والكواكب، أو الكواكب وأقمارها الخاصة بقوة تتناسب عكسياً مع مربع المسافة.
تصف قوانين كبلر أبسط شكل لحركة الأجسام السماوية بفرض أنه لا توجد قوى خارجية مؤثرة ومن أجل حركة القمر الصناعي حول الأرض تصح تلك الفرضيات كتقريب أولي حيث تشكل مدارات كيبلر مدارا مرجعيا مبسطا وتعطي معلومات نوعية عن شكل الحركة، كان كيبلر يعتقد بأن تلك الحركات تتبع قوانين عامة وهي القوانين صاغها نيوتين تحت مسمي قانون الجاذبية حيث أخذ نيوتين في اعتباره القوى الخارجية المؤثرة.
في الـ 300 سنة التالية لم يحدث تطور جذري في الميكانيكا السماوية، ولكن بإطلاق أول قمر صناعي وتطوير الحاسبات الكبيرة مكن من إعطاء دفعه لأفكار جديدة بعد أن كانت القياسات تقتصر على الاتجاهات، يمكن حديثا قياس المسافات وتغيرها إضافة إلى تأثير الشمس والقمر والكواكب على حركة الأقمار الصناعية. كما يجب أن تعالج أيضاً تأثيرات حقل الجاذبية المتغير من خلال تطوير حواسب سريعه فانه يمكن معالجه كيمه معطيات كبيرة لحساب مدارات الأقمار بشكل أكثر دقة.
ترجمة: Mahmoud Mustafa
تصميم: Ayman Samy
المصدر: 1
