فيديو السؤال: فهم المدارات المتزامنة أرضيًّا الفيزياء • الصف الأول الثانوي

نسخة الفيديو النصية

توضع أقمار الاتصالات في مدارات متزامنة أرضيًّا. ما سبب ذلك؟ (أ) المدار المتزامن أرضيًّا هو أقل ارتفاع يمكن للأقمار الصناعية أن تدور عنده؛ ولذا فإنه من الأسهل وضع قمر صناعي في مدار متزامن أرضيًّا. (ب) المدار المتزامن أرضيًّا هو أقصى ارتفاع يمكن أن تدور عنده الأقمار الصناعية دون ترك مدار الأرض. تدور الأقمار الصناعية عند هذا الارتفاع؛ حيث أكثر الأماكن فراغًا؛ ولذا فإن الأقمار الصناعية لن يصطدم أحدها بالآخر. (ج) المدار المتزامن أرضيًّا هو مدار تكون عنده كفاءة الطاقة أعلى ما يمكن؛ ولذا فإنه من الأرخص إبقاء قمر صناعي في المدارات المتزامنة أرضيًّا مقارنة بالمدارات الأخرى. (د) يبقى القمر الصناعي في المدار المتزامن أرضيًّا عند نفس النقطة في السماء؛ ما يجعل تحديد موقع القمر الصناعي وإرسال واستقبال الإشارات أكثر سهولة. (هـ) يبقى القمر الصناعي في المدار المتزامن أرضيًّا عند نفس النقطة في النظام الشمسي بالنسبة إلى الشمس؛ ولذا فإننا لا نحتاج إلى تتبع موضع القمر الصناعي.

حسنًا، يمكننا البدء باسترجاع أن القمر الصناعي المتزامن أرضيًّا يظل في الموضع نفسه بالنسبة إلى سطح الأرض من خلال الدوران فوق خط الاستواء من الغرب إلى الشرق خلال فترة مدارية قدرها 24 ساعة. هذا يعني أنه مع دوران الأرض، يتحرك القمر الصناعي في اتجاه دوران الأرض نفسه بطريقة تجعله يبدو ساكنًا.

يشير الخيار (أ) إلى أن المدار المتزامن أرضيًّا يقع عند أقل ارتفاع ممكن فوق سطح الأرض. وهذا ببساطة غير صحيح. في الحقيقة، المدارات المتزامنة أرضيًّا مرتفعة جدًّا؛ حيث إنها تقع على ارتفاع 36000 كيلومتر تقريبًا فوق سطح الأرض. وللعلم، تدور محطة الفضاء الدولية على ارتفاع 400 كيلومتر فوق سطح الأرض. والشكل الموجود بالأعلى ليس مرسومًا بمقياس رسم، لكن إذا رسم به، فسيكون القمر الصناعي المتزامن أرضيًّا موجودًا هنا بالأعلى. ومن ثم، سنستبعد الخيار (أ).

لدينا بعد ذلك الخيار (ب)، الذي يشير إلى عكس ما استعرضناه تمامًا؛ حيث إنه يوضح أن المدار المتزامن أرضيًّا هو أقصى ارتفاع يمكن أن تصل إليه الأقمار الصناعية. لكن على الرغم من أن هذه المدارات مرتفعة جدًّا، فإنها ليست عند أقصى ارتفاع. في الواقع، يصنف العلماء مدارات الأقمار الصناعية حسب المسافة إما كمدار أرضي منخفض، أو متوسط، أو مرتفع. ويمثل المدار المتزامن أرضيًّا، على ارتفاع 36000 كيلومتر تقريبًا، الحد الفاصل بين المدار الأرضي المتوسط والمرتفع. بالنسبة إلى بعض الأقمار الصناعية في المدار الأرضي المرتفع، فإنها تكون على ارتفاع يزيد عن 100000 كيلومتر. ومن ثم، فإن الخيار (ب) غير صحيح.

في الخيار (ج)، تشير العبارة إلى أن وجود قمر صناعي في مدار متزامن أرضيًّا هو الأرخص والأعلى كفاءة في استخدام الطاقة. لكن كما ذكرنا سابقًا، المدار المتزامن أرضيًّا يكون بعيدًا عن سطح الأرض، ومن ثم ستحتاج المركبة الفضائية إلى كمية كبيرة من الوقود للوصول إلى الارتفاع المطلوب. أيضًا، عند هذه المسافة من سطح الأرض، من الممكن أن يقع أحد الأقمار الصناعية الموجودة في المدار المتزامن أرضيًّا تحت تأثير قوة الجاذبية للقمر والشمس ويخرج عن مساره، وذلك ما لم يستخدم القمر الصناعي محركات الدفع بانتظام، التي تتطلب وقودًا إضافيًّا. لذلك، يمكننا قول إن الخيار (ج) ليس مقنعًا بشكل كاف، ولكن يمكننا أخذه بعين الاعتبار إلى أن نتحقق من خيارات الإجابة الأخرى.

في الخيار (د)، تشير العبارة إلى أن الأقمار الصناعية المتزامنة أرضيًّا يسهل تتبعها والاتصال بها؛ لأنها تظل فوق نقطة ثابتة في السماء. وهذا هو ما نعنيه بمتزامنة أرضيًّا؛ إنها تبدو ساكنة بالنسبة إلى سطح الأرض. وبالطبع كل من القمر الصناعي والأرض في حالة حركة دائمة، لكنهما يفعلان ذلك بصورة متزامنة، ما يجعل تتبع القمر الصناعي والاتصال به أسهل. وكل هذا صحيح. يبدو أن الخيار (د) هو أفضل إجابة. لكن للتأكد فقط، دعونا نتحقق من الخيار (هـ). يشير الخيار (هـ) إلى أننا لا نحتاج إلى تتبع مواضع الأقمار الصناعية المتزامنة أرضيًّا؛ لأنها تظل مستقرة بالنسبة إلى الشمس. وهذا غير منطقي على الإطلاق. وذلك لأن الكلمة «أرضيًّا» مرتبطة بالأرض. والأرض تدور حول الشمس على بعد مسافة تساوي نحو 150000000000 متر.

حسنًا، إذا ظل القمر الصناعي مستقرًّا بالنسبة إلى الشمس، فسيكون على بعد مئات المليارات من الأمتار من سطح الأرض في بعض الأحيان، ما يعني أن إرسال إشارة واحدة واستقبالها قد يستغرق ما يصل إلى نصف ساعة. وفي بعض الأحيان، من الممكن أن تكون الشمس بين القمر الصناعي والأرض، ما يجعل الاتصال مستحيلًا. إذن، الخيار (هـ) غير صحيح، والخيار (ج) ليس مقنعًا أيضًا. ومن ثم، فإن الخيار (د) هو أفضل إجابة؛ لأنه يصف المدار المتزامن أرضيًّا بشكل صحيح ويوضح السبب وراء كونه مفيدًا. إذن، بتنا نعلم الآن أن القمر الصناعي في المدار المتزامن أرضيًّا يبقى عند نفس النقطة في السماء، ما يجعل تحديد موقع القمر الصناعي وإرسال واستقبال الإشارات أكثر سهولة.