منذ الطفولة ، اعتدنا على رؤية الطائرات التي تطير في الغلاف الجوي للأرض ، وتقريبها وتتحرك بمساعدة محرك وأجنحة. ومع ذلك, لماذا لا يمكنهم الطيران في الفضاء? يرتبط تفسير هذه الظاهرة بخصائص الغلاف الجوي والقوانين الفيزيائية التي تعمل على كوكبنا.
تطير الطائرات في الغلاف الجوي للأرض بسبب الحفاظ على سرعة ورفع معينين بسبب اختلاف الضغط فوق وتحت الجناح. عندما ترتفع الطائرة فوق الغلاف الجوي ، ينخفض فرق الضغط، مما يؤدي إلى انخفاض في الرفع. نتيجة لذلك ، تتوقف الطائرة وتبدأ في السقوط. لا يوجد جو في الفضاء ، وبالتالي ، لا توجد طريقة لإنشاء المصعد.
يرجع أحد الأسباب الرئيسية لعدم قدرة الطائرات على الطيران في الفضاء إلى حقيقة وجود القليل جدا من الهواء على ارتفاعات عالية. تحتاج الطائرات إلى كتل هوائية لخلق الرفع والمناورة في الهواء. في الفضاء ، حيث لا يوجد هواء تقريبا ، هذا لا يكفي. علاوة على ذلك ، يتبدد الغلاف الجوي للأرض تدريجيا على ارتفاعات كونية ، مما يجعل رحلة الطائرة مستحيلة.
وبالتالي ، لا يمكن للطائرات الطيران في الفضاء لأن بيئة الفضاء تفتقر إلى الظروف الجوية اللازمة لإنشاء الرفع والحفاظ على رحلة مستقرة. على الرغم من أن تقنيات رحلات الفضاء تتطور بسرعة كبيرة ، إلا أن الطائرات الأرضية لا تزال في المقام الأول وسيلة نقل في الغلاف الجوي للأرض ، وتتمتع بمزاياها وتتغلب على مسافات شاسعة على سطح الأرض.
- لماذا لا تطير الطائرات إلى الفضاء
- جوهر المشكلة
- القيود المادية
- الضغط الجوي
- درجة الحرارة في الفضاء
- استحالة الدوران حول الأرض
- مجال الجاذبية
- متطلبات الهياكل الجوية
- مزايا الطيران فوق الأرض
- سؤال وجواب
- لماذا لا تطير الطائرات إلى الفضاء?
- كيف الطائرات دائرة الأرض?
- كيف يعمل الضغط الديناميكي لجناح الطائرة?
- لماذا لا تستطيع الطائرات التغلب على جاذبية الأرض?
لماذا لا تطير الطائرات إلى الفضاء
رحلة الفضاء هي مؤسسة معقدة ومكلفة للغاية تتطلب تكنولوجيا ومعدات خاصة. على عكس الطائرات ، يجب أن تتغلب سفن الفضاء على سرعات أعلى بكثير وتترك الغلاف الجوي للأرض.
الأسباب الرئيسية لعدم قدرة الطائرات على الطيران في الفضاء هي التالية:
- تصميم الهوائية. تم تصميم الطائرات للعمل في الغلاف الجوي للأرض ، حيث توجد كثافة ومقاومة للهواء ، بحيث يمكنها الحفاظ على الطيران عن طريق الانزلاق في الهواء بمساعدة الأجنحة والمحركات.
- قوة المحرك. محركات الطائرات ليست قوية أو فعالة بما يكفي للتغلب على الجاذبية وترك الغلاف الجوي للأرض. على عكس محركات الصواريخ ، فهي غير قادرة على توفير السرعة اللازمة للوصول إلى المدار.
- حماية الطاقم. عادة ما تحتوي الطائرات على مقصورة مغلقة لحماية الطاقم من الظروف البيئية وضمان رحلة مريحة. ومع ذلك ، لا يوجد جو وحماية من الإشعاع الكوني في الفضاء ، لذلك تم تصميم السفن للفضاء غير الآمن.
بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب رحلة الفضاء تدريبا خاصا للطاقم وتوافر نظام دعم الحياة للحفاظ على حياة رواد الفضاء لفترة طويلة من الزمن. هذا أيضا أحد الأسباب التي تجعل الطائرات لا تستطيع الطيران في الفضاء.
جوهر المشكلة
لماذا لا تطير الطائرات إلى الفضاء, لكن ضع دائرة حول الأرض? ترتبط الإجابة على هذا السؤال بالقيود المادية للطائرات والحاجة إلى التكيف مع خصوصيات الغلاف الجوي ومجال الجاذبية للأرض.
تطير الطائرات في الغلاف الجوي ، وهو الغلاف متعدد الطبقات للكوكب. يتكون الغلاف الجوي من غازات ويشبه "سحابة" حول الأرض. على عكس الفضاء خارج الغلاف الجوي ، حيث لا يوجد احتكاك ومقاومة ، يخلق الغلاف الجوي قوى سحب تؤثر على تحليق الطائرة. هذه القوى لها تأثير على الأجنحة والمثبتات وأجزاء أخرى من الطائرة.
من أجل رحلة ناجحة للطائرة ، من الضروري التغلب على مقاومة الغلاف الجوي ، وتحقيق توازن معين بين السرعة وناقل الإقلاع. تم تصميم الطائرات مع وضع هذه القيود في الاعتبار وهي قادرة على الوصول إلى سرعات وارتفاعات عالية ، لكنها لا تزال محدودة بحدود الغلاف الجوي للأرض.
تحلق الطائرات التجارية على ارتفاع يتراوح بين 10 و 12 كيلومترا في منطقة التظليل من الشمس ، مما يستبعد إمكانية استخدام الطاقة الشمسية للتغلب على جاذبية الأرض والوصول إلى الفضاء. بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب الرحلات الفضائية أنظمة خاصة لدعم الحياة والحماية من الإشعاع غير متوفرة على الطائرات التجارية.
وتؤدي القيود التقنية والاقتصادية دورا أيضا. يتطلب بناء وتشغيل سفن الفضاء استثمارات مالية كبيرة وبنية تحتية خاصة. تفضل معظم شركات الطيران التركيز على تطوير وتحديث طائراتها لعمليات الطيران داخل الغلاف الجوي للأرض ، حيث يكون الطلب على نقل الركاب أعلى بكثير والسوق أكثر استقرارا ويمكن التنبؤ به.
القيود المادية
واحدة من القيود المادية الرئيسية التي تمنع الطائرات من الطيران في الفضاء هي جاذبية الأرض. يوفر سحب الجاذبية للأرض القوة اللازمة لإبقاء الطائرات في الغلاف الجوي. ومع ذلك ، من أجل مغادرة الغلاف الجوي والوصول إلى الفضاء الخارجي ، من الضروري التغلب على هذه القوة.
واحدة من المعالم الرئيسية التي تحدد قدرة الطائرة على التغلب على جاذبية الأرض هي السرعة. لتحقيق السرعة الكونية ، تحتاج إلى الوصول إلى سرعة تتجاوز 28000 كم / ساعة. هذا أكثر بكثير من السرعة التي يمكن أن تطورها طائرات الركاب العادية ، محدودة بمقاومة الغلاف الجوي والمحركات المحدودة.
بالإضافة إلى ذلك ، للطيران في الفضاء ، من الضروري أن يكون لديك معدات وأنظمة خاصة ، مثل نظام دعم الحياة ، تضمن الحفاظ على الضغط الجوي ودرجة الحرارة والتكوين اللازم للحفاظ على الحياة. أحد الجوانب الرئيسية هو نقص الأكسجين في الفضاء الخارجي ، وبالتالي يجب أن يكون للطائرات أنظمة صيانة الأكسجين الخاصة بها للطاقم والركاب.
بالإضافة إلى ذلك ، يتميز الفضاء الخارجي بالفراغ ونقص الضغط الجوي والمقاومة ، مما يعني أنه يجب تصميم وبناء الطائرات خصيصا لتحمل مثل هذه الظروف. وهذا يتطلب استخدام مواد وتقنيات خاصة تختلف اختلافا كبيرا عن تلك المستخدمة في طائرات الركاب التقليدية.
وبالتالي ، فإن القيود المادية مثل الجاذبية والسرعة ونقص الضغط الجوي والمقاومة ، فضلا عن الحاجة إلى معدات ومواد خاصة ، تجعل من المستحيل على الطائرات التقليدية الطيران في الفضاء. تستخدم سفن الفضاء والصواريخ الخاصة للرحلات الفضائية ، والتي تم تصميمها وبناؤها مع مراعاة هذه القيود المادية.
الضغط الجوي
الضغط الجوي هو القوة التي يضغط بها الهواء على سطح الأرض. ينشأ من وزن عمود الهواء الموجود فوقنا. نظرا لأن الهواء مادة غازية ، فإن كتلته وحجمه يتغيران باستمرار اعتمادا على الارتفاع والظروف البيئية.
يقاس الضغط الجوي بوحدات تسمى باسكال (باسكال) أو هيكتوباسكال (باسكال). يبلغ الضغط الجوي المعتاد عند مستوى سطح البحر حوالي 1013.25 جيجا باسكال أو 1013.25 باسكال.
نظرا لوجود ضغط جوي على سطح الأرض ، ينشأ السحب الديناميكي الهوائي - وهي قوة تصد حركة الجسم في الهواء. هذا ينطبق بشكل خاص على الطائرات التي يتعين عليها التغلب على مقاومة الهواء من أجل النزول إلى السماء والطيران أفقيا على علو شاهق.
يلعب الضغط الجوي أيضا دورا في تصميم وبناء الطائرات. يؤثر على تصميم الأجنحة وجسم الطائرة والعناصر الأخرى ، والتي يجب أن تكون قوية بما يكفي لتحمل الضغط الناجم عن حركة الهواء أثناء الطيران.
درجة الحرارة في الفضاء
تعد درجة الحرارة في الفضاء أحد العوامل الرئيسية التي تجعل الطائرات لا تستطيع الطيران في الفضاء. الفضاء الخارجي بيئة شديدة البرودة حيث يمكن أن تصل درجات الحرارة إلى الصفر المطلق (-273.15 C درجة مئوية).
هناك عدة أسباب وراء انخفاض درجة الحرارة في الفضاء. أولا ، يسمح غياب الغلاف الجوي للحرارة بالانتشار بالتساوي في الفضاء والإشعاع في الفضاء الخارجي دون تأخير. على العكس من ذلك ، يحتفظ الغلاف الجوي للأرض ببعض الحرارة ، مما يساعد على الحفاظ على درجة حرارة أعلى على سطح الأرض.
ثانيا ، لا توجد مصادر حرارة بعيدة عن الأرض ، مثل الشمس أو الطاقة الحرارية الأرضية الأرضية. الفضاء بارد وخالي من الطاقة الحرارية ، مما يساعد على إبقاء كوكبنا دافئا.
وآخر شيء من المهم ذكره هو الإشعاع الحراري. جميع الأجسام ، بما في ذلك الطائرات ، تنبعث منها طاقة على شكل إشعاع حراري. في الفضاء ، حيث لا توجد أجسام أخرى ، تشع هذه الطاقة في الفضاء المفتوح وتتبخر بسرعة ، مما يؤدي إلى انخفاض في درجة الحرارة.
وبالتالي ، فإن درجة الحرارة المنخفضة في الفضاء هي أحد الأسباب الرئيسية لعدم قدرة الطائرات على الطيران في الفضاء. لا تحتوي الطائرات الحديثة المصممة للرحلات الجوية على الأنظمة والمواد اللازمة للبقاء على قيد الحياة في بيئة فضائية ذات درجة حرارة منخفضة.
استحالة الدوران حول الأرض
لماذا لا تطير الطائرات إلى الفضاء وتدور حول الأرض? الجواب بسيط: عدم القدرة على الطيران حول الأرض يرجع إلى قيود القدرات المادية للطائرات ومبدأ تشغيلها.
القيود الهوائية. تطير الطائرات بسبب قوة الدعم الديناميكي الهوائي الناتج عن حركة الهواء فوق وتحت الجناح. ومع ذلك ، لا يوجد هواء في الفضاء الخارجي ضروري لدعم مثل هذه القوة. لذلك ، لا يمكن للطائرات أن تطير حول الأرض في الفضاء ، لأنها لن تكون قادرة على الحفاظ على دعمها الديناميكي الهوائي بدون هواء.
الحاجة إلى الدعم والتعليق. بالإضافة إلى القيود الديناميكية الهوائية ، تحتاج الطائرات أيضا إلى الدعم والتعليق على الهواء أو على سطح صلب. على عكس سفن الفضاء ، التي يمكنها السفر في الفضاء الخارجي دون أي دعم ، تتطلب الطائرات سطحا أرضيا أو مطارا للإقلاع والهبوط. هذا يجعلها غير مناسبة للطيران في الفضاء ، حيث لا يوجد سطح دعم.
الجاذبية والميكانيكا المدارية. تعمل الطائرات داخل الغلاف الجوي للأرض ، حيث تعمل جاذبية الأرض والقوانين الفيزيائية الأخرى. للوصول إلى الفضاء ، من الضروري التغلب على قوة الجاذبية والدخول إلى مدار الأرض. لا تملك الطائرات السرعة والوسائل الكافية للتغلب على قوة الجاذبية والميكانيكا المدارية ، مما يجعلها غير مناسبة للطيران في الفضاء.
وبالتالي ، فإن الأسباب الرئيسية لعدم قدرة الطائرات على الطيران حول الأرض في الفضاء تتعلق بقيود الديناميكا الهوائية ، والحاجة إلى الدعم والتعليق ، فضلا عن تأثيرات الجاذبية والميكانيكا المدارية.
مجال الجاذبية
مجال الجاذبية هو مساحة من الفضاء تنضح فيها الأجسام الجماعية بقوة الجذب. تنشأ قوة الجذب من تفاعل الأجسام الجماعية وتعتمد على كتلتها والمسافة بينها.
يتم توجيه قوة الجاذبية نحو مركز كتلة الجسم وتنخفض مع زيادة المسافة. إن مجال الجاذبية الأرضية هو الذي يبقي طائراتنا على السطح ويمنعها من الإقلاع إلى الفضاء.
داخل الغلاف الجوي للأرض ، تحافظ قوة احتكاك الهواء على بقاء الطائرة في الهواء. تحتاج الطائرة إلى تطوير سرعة كافية للتغلب على قوة الاحتكاك هذه والارتفاع في الهواء. ومع ذلك ، عند الوصول إلى الطبقات العليا من الغلاف الجوي ، تقل قوة الاحتكاك وتصبح قوة الجاذبية هي المهيمنة.
للطيران إلى الفضاء ، يجب التغلب على قوة الجاذبية تماما. يستخدم طيارو المركبات الفضائية وحدات الطاقة والصواريخ لخلق سرعة كافية والتغلب على قوة الجاذبية للأرض. بمجرد أن تصل السفينة إلى السرعة المطلوبة ، يمكنها مغادرة مجال جاذبية الأرض والتحرك في مدار حول الأرض أو إلى الكواكب والأجسام الفضائية الأخرى.
يؤثر مجال الجاذبية الأرضية أيضا على مدارات الأقمار الصناعية والأقمار. تتحرك في مدارات حول الأرض بسبب قوة الجاذبية. ونتيجة لذلك ، فإن كل قمر صناعي والقمر في حركة مستمرة ولا يسقطان على سطح الأرض.
يعد فهم مجال الجاذبية وتفاعله مع الأجسام أمرا مهما لتطوير المهمات الفضائية وإدارة الأجسام في الفضاء. يساعد العلماء على فهم حركة الكواكب والأقمار والكويكبات والأجسام الفضائية الأخرى والتنبؤ بها.
متطلبات الهياكل الجوية
يجب أن تفي الهياكل الجوية المستخدمة في الطيران بمتطلبات معينة لضمان سلامة الطيران وأداء الطائرات.
- القوة والوزن: يجب أن تكون هياكل الطائرات قوية بما يكفي لتحمل الأحمال التي تحدث أثناء الرحلات الجوية ، وفي نفس الوقت يكون لها وزن أدنى لضمان فعالية تكلفة الرحلات الجوية.
- الاستقرار والإدارة: يجب أن تكون الطائرات مستقرة أثناء الطيران وأن تتمتع بخصائص مناولة جيدة حتى يتمكن الطيارون من تشغيلها بأمان وكفاءة.
- الديناميكا الهوائية: يجب تصميم الهياكل الهوائية بطريقة تقلل من مقاومة الهواء وتوفر أقصى قدر من الرفع.
- الأتمتة والإلكترونيات: تم تجهيز الطائرات الحديثة بأنظمة أوتوماتيكية وإلكترونية مختلفة تسهل عمل الطيارين وتحسن سلامة الطيران.
- عزل الصوت والاهتزاز: يجب تصميم هياكل الطائرات بطريقة تقلل من الضوضاء والاهتزازات داخل المقصورة لزيادة راحة الركاب والطاقم.
تؤخذ جميع هذه المتطلبات في الاعتبار عند تصميم وتصنيع الطائرات لضمان رحلات آمنة ومريحة. وهذا يتطلب مجموعة متنوعة من الحلول التقنية والهندسية ، فضلا عن رقابة صارمة على الجودة.
مزايا الطيران فوق الأرض
تتمتع الرحلات الجوية فوق الأرض بعدد من المزايا مقارنة بالرحلات الجوية إلى الفضاء:
- انخفاض تكلفة الرحلات الجوية. لا تتطلب الرحلات الجوية فوق الأرض استخدام المركبات الفضائية ، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف الوقود والصيانة.
- وصول أسرع إلى الهدف. على عكس الرحلات الفضائية ، تسمح لك الرحلات الجوية فوق الأرض بالوصول بسرعة إلى المكان المناسب على هذا الكوكب دون الحاجة إلى السفر لمسافات طويلة وتنشيط المناورات المدارية المعقدة.
- القدرة على أداء عدة رحلات في يوم واحد. نظرا لقصر وقت الرحلة وغياب الحاجة إلى استعادة المدار بعد الرحلة ، يمكن للطائرات القيام بعدة رحلات في يوم واحد ، مما يزيد من كفاءتها وربحيتها.
- مرونة كبيرة في تخطيط الطريق. يسمح لك الطيران فوق الأرض باختيار أفضل الطرق ، مع مراعاة الطقس وحالة المجال الجوي وعوامل أخرى. يتيح لك ذلك التنبؤ بوقت الوصول بدقة أكبر ويقلل من مخاطر التأخير.
- إمكانية نقل عدد كبير من الركاب والبضائع. تتمتع الطائرات بسعة حمولة كبيرة ويمكنها حمل عدد كبير من الركاب أو البضائع ، مما يجعلها أكثر فعالية من حيث التكلفة مقارنة بسفن الفضاء.
كل هذه المزايا تجعل الطيران فوق الأرض مفضلا في العديد من المواقف ، سواء لنقل الركاب أو البضائع.
سؤال وجواب
لماذا لا تطير الطائرات إلى الفضاء?
لا تستطيع الطائرات الطيران إلى الفضاء لأنها لا تصل إلى السرعة المطلوبة ولا يمكنها التغلب على جاذبية الأرض. للطيران إلى الفضاء ، يلزم التسارع إلى سرعة الفضاء ، والتي تبلغ حوالي 28000 كيلومتر في الساعة. الطائرات ، بدورها ، يمكن أن تصل إلى سرعات تصل إلى 900 كيلومتر في الساعة ، وهو ما لا يكفي لمغادرة الغلاف الجوي ودخول الفضاء.
كيف الطائرات دائرة الأرض?
الطائرات تنحني حول الأرض بسبب مبدأ الحفاظ على الطيران-الضغط الديناميكي للجناح ، مما يخلق الرفع. يحتوي جناح الطائرة على شكل خاص يسمى الملف الشخصي ، مما يعزز تأثير الضغط الديناميكي. عند التحرك في الهواء ، يخلق الجناح قوة داعمة تتجاوز جاذبية الطائرة وتسمح لها بالطيران ودائرة سطح الأرض.
كيف يعمل الضغط الديناميكي لجناح الطائرة?
يعمل الضغط الديناميكي لجناح الطائرة على مبدأ خلق فرق ضغط أعلى وأسفل الجناح. الملف الجانبي للجناح له شكل منحني من الأعلى وشكل مستقيم من الأسفل. عندما يتحرك الهواء فوق الجناح ، فإنه يمر عبر مسار أطول ويخلق منطقة ضغط منخفض ، ويتم دفعه أسفل الجناح ، مما يخلق منطقة ضغط مرتفع. يخلق فرق الضغط هذا قوة رفع تدعم تحليق الطائرة.
لماذا لا تستطيع الطائرات التغلب على جاذبية الأرض?
لا تستطيع الطائرات التغلب على جاذبية الأرض بسبب سرعتها المنخفضة نسبيا وعدم كفاية قوة الدفع للمحركات. تعمل جاذبية الأرض على جميع الأجسام الموجودة على سطحها ، وبالتالي تحتاج الطائرة إلى ضغط ديناميكي كبير بما فيه الكفاية للتغلب على هذه القوة. أيضا ، للتغلب على الجاذبية ، من الضروري التغلب على السحب الديناميكي الهوائي والاحتكاك في الغلاف الجوي ، وهو أمر مستحيل في مثل هذه السرعات التي تتطور فيها الطائرات.