Curious Kids هي سلسلة للأطفال من جميع الأعمار. إذا كان لديك سؤال تريد أن يجيب عليه أحد الخبراء، فأرسله إلى Curiouskidsus@theconversation.com.
لماذا يجب على الصاروخ أن يقطع مسافة 25000 ميل في الساعة (حوالي 40000 كيلومتر في الساعة) للهروب من الأرض؟ – بو هـ، 10 سنوات، دورهام، نيو هامبشاير
هناك سبب وراء ضرورة إطلاق الصاروخ بهذه السرعة للهروب من الأرض. يتعلق الأمر بالجاذبية – وهو شيء نختبره جميعًا في كل لحظة من كل يوم.
الجاذبية هي القوة التي تجذبك نحو الأرض. وهذا شيء جيد. الجاذبية تبقيك على الأرض؛ وإلا فسوف تطفو بعيدًا في الفضاء.
لكن الجاذبية أيضًا تجعل من الصعب مغادرة الأرض إذا كنت متجهًا إلى الفضاء. يعد الهروب من جاذبية كوكبنا أمرًا صعبًا، فالجاذبية ليست قوية فحسب، ولكنها تمتد أيضًا بعيدًا عن الأرض.
مثل البالون
كعالم صواريخ، أحد الأشياء التي أقوم بها هو تعليم الطلاب كيف تتغلب الصواريخ على الجاذبية. وإليك كيف يعمل:
في الأساس، يجب على الصاروخ أن يُحدث قوة دفع – أي توليد القوة – عن طريق حرق الوقود الدافع لإنتاج غازات ساخنة. ثم يطلق تلك الغازات الساخنة من الفوهة. إنه يشبه إلى حد ما نفخ بالون، ثم تركه ومشاهدته وهو يطير بعيدًا بينما يندفع الهواء للخارج.
وبشكل أكثر تحديدًا، يتكون الوقود الدافع للصاروخ من الوقود والمادة المؤكسدة. عادة ما يكون الوقود مادة قابلة للاشتعال، وعادةً ما يكون الهيدروجين أو الميثان أو الكيروسين. عادة ما يكون المؤكسد هو الأكسجين السائل، الذي يتفاعل مع الوقود ويسمح له بالاحتراق.
عند الذهاب إلى الفضاء والهروب من الأرض، تحتاج الصواريخ إلى قدر كبير من القوة، لذا فهي تستهلك الوقود الدافع بسرعة كبيرة. وهذه مشكلة، لأن الصاروخ لا يستطيع حمل ما يكفي من الوقود الدافع لمواصلة الدفع إلى الأبد؛ إن كمية الوقود اللازمة ستجعل الصاروخ ثقيلًا جدًا بحيث لا يتمكن من الإقلاع عن الأرض.
إذن ماذا يحدث عندما ينفد الوقود الدافع؟ يتوقف الدفع، وتبطئ الجاذبية الصاروخ من سرعته حتى يبدأ بالسقوط تدريجيًا نحو الأرض.
ولحسن الحظ، يستطيع العلماء إطلاق الصاروخ ببعض الزخم الجانبي بحيث لا يخطئ الأرض عند عودته. يمكنهم أيضًا القيام بذلك بحيث يسقط بشكل مستمر حول الأرض إلى الأبد. بمعنى آخر، يدخل في المدار ويبدأ بالدوران حول الكوكب.
العديد من عمليات الإطلاق المتعمدة لا تترك الأرض خلفها تمامًا. تدور آلاف الأقمار الصناعية حول كوكبنا في الوقت الحالي، وهي تساعد الهواتف وأجهزة التلفزيون على العمل، وتعرض أنماط الطقس لأخصائيي الأرصاد الجوية، وتتيح لك أيضًا استخدام بطاقة الائتمان لدفع ثمن الأشياء في المتجر أو الوقود في المضخة. يمكنك أحيانًا رؤية هذه الأقمار الصناعية في سماء الليل، بما في ذلك محطة الفضاء الدولية.
الهروب من الأرض
لكن لنفترض أن الهدف هو السماح للصاروخ بالهروب من جاذبية الأرض إلى الأبد حتى يتمكن من الطيران إلى أعماق الفضاء. وذلك عندما يقوم العلماء بخدعة رائعة تسمى التدريج. يطلقون بصاروخ كبير، وبعد ذلك، بمجرد وصولهم إلى الفضاء، يتخلصون منه لاستخدام صاروخ أصغر. وبهذه الطريقة، يمكن أن تستمر الرحلة دون وزن الصاروخ الأكبر، وستكون هناك حاجة إلى كمية أقل من الوقود الدافع.
ولكن حتى التدريج ليس كافيا؛ في النهاية سوف ينفد الوقود الدافع من الصاروخ. ولكن إذا انطلق الصاروخ بسرعة كافية، فمن الممكن أن ينفد الوقود الدافع منه ويستمر في الابتعاد عن الأرض إلى الأبد، دون أن تسحبه الجاذبية إلى الخلف. إنه مثل ركوب الدراجة: قم ببناء سرعة كافية وفي النهاية يمكنك الصعود إلى أعلى التل دون استخدام الدواسات.
وكما أن هناك حدًا أدنى للسرعة المطلوبة للإبحار بالدراجة، هناك حد أدنى للسرعة يحتاجها الصاروخ للإبحار بعيدًا إلى الفضاء: 25020 ميلاً في الساعة (حوالي 40000 كيلومتر في الساعة).
ويطلق العلماء على هذه السرعة اسم سرعة الهروب. يجب أن يتحرك الصاروخ بهذه السرعة بحيث يكون الزخم الذي يدفعه بعيدًا عن الأرض أقوى من قوة الجاذبية التي تسحبه للخلف. أي أبطأ، وسوف تذهب إلى مدار الأرض.
الهروب من كوكب المشتري
تتمتع الأجسام الأكبر حجمًا أو الأكبر حجمًا بجاذبية أقوى. إن إطلاق صاروخ من كوكب أكبر من الأرض سيحتاج إلى تحقيق سرعة هروب أعلى.
على سبيل المثال، كوكب المشتري هو الكوكب الأكثر كتلة في نظامنا الشمسي. إنها كبيرة جدًا، يمكنها أن تبتلع 1000 قطعة أرض. لذا فهو يتطلب سرعة هروب عالية جدًا: 133,100 ميل في الساعة (حوالي 214,000 كيلومتر في الساعة)، أي أكثر من خمسة أضعاف سرعة الهروب من الأرض.
لكن المثال المتطرف هو الثقب الأسود، وهو جسم ضخم للغاية لدرجة أن سرعة الهروب منه عالية بشكل غير عادي. في الواقع، فهو مرتفع للغاية، حتى أن الضوء – الذي تبلغ سرعته حوالي 670 مليون ميل في الساعة (أكثر من مليار كيلومتر في الساعة) – ليس بالسرعة الكافية للإفلات. ولهذا السبب يطلق عليه الثقب الأسود.
مرحبًا أيها الأطفال الفضوليون! هل لديك سؤال تود أن يجيب عليه أحد الخبراء؟ اطلب من شخص بالغ أن يرسل سؤالك إلى CuriousKidsUS@theconversation.com. من فضلك أخبرنا باسمك وعمرك والمدينة التي تعيش فيها.
وبما أن الفضول ليس له حد عمري – أيها البالغون، أخبرنا بما تتساءل عنه أيضًا. لن نتمكن من الإجابة على كل الأسئلة، لكننا سنبذل قصارى جهدنا.
تم تحديث هذه المقالة لتصحيح سرعة الضوء.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: بنجامين ل. إيمرسون، معهد جورجيا للتكنولوجيا
اقرأ المزيد:
ينتمي بنيامين إل إيمرسون إلى معهد جورجيا للتكنولوجيا. يقوم بنيامين إيمرسون بتدريس الدورات التدريبية المتعلقة بالصواريخ وإدارة مشاريع أبحاث الاحتراق في جامعة جورجيا للتكنولوجيا.