نگاه اجمالی
مکانیک سماوی محدوده‌ای از فیزیک فضا را تشکیل می‌دهد که در آن حرکت اجرام آسمانی مورد مطالعه قرار می‌گیرد. در مکانیک سماوی از موضوعات مکانیک کلاسیک و روابط و قوانین آن استفاده می‌گردد. مکانیک کلاسیک اغلب برای مطالعه میدان گرانشی و اثرات آن روی اجسامی مانند سیارات ، ماهواره‌ها ، سفینه‌های فضایی و موشکهای فضاپیما به کار می‌رود. البته لازم به ذکر است که علاوه بر نیروی گرانشی عوامل دیگری مانند مقاومت اتمسفر روی مدار اجسام و یا برهمکنش‌های پلاسمایی مانند باد خورشیدی و یا شهاب سنگها نیز در توصیف مکانیک سماوی دخالت دارند.
سیر تحولی و رشد
تقریبا می‌توان گفت که مکانیک سماوی با کارهای کپلر به صورتی دقیق شروع شد. کپلر توانست با نفوذ در فراسوی مرزهای مشاهده و توصیف ریاضی ، حرکت اجرام آسمانی را برحسب نیروهای فیزیکی توضیح دهد. در منظومه کپلر سیاره‌ها ، دیگر به سبب ماهیت آسمانی خود حرکت نمی‌کردند و دیگر به سبب داشتن شکلهای کروی در حرکت دورانی طبیعی نبودند. کپلر بر اساس پدیده‌های مشاهده شده به دنبال قوانین فیزیکی بود تا تمامی‌جهان را به شیوه دقیق کمی توصیف کند.
یکی از دانشمندانی که کپلر با او درباره پیشرفتهای علمی مکاتبه داشت، گالیله بود. کمک اصلی کپلر به تئوری سیاره‌ای ، قوانین تجربی او براساس رصدهای تیکو براهه بود. گالیله هم در تئوری و هم در مشاهده کوشا بود. گالیله نظریه حرکت خود را بر مبنای مشاهده‌های مربوط به حرکت اجرام در سطح زمین استوار کرد. کارهای او در زمینه دانش جدید مکانیک با فرضیات ارسطویی در فیزیک و ماهیت حرکت‌های آسمانی مغایرت داشت. گالیله توانست نخستین تلسکوپ را بسازد.
بعد از گالیله ، که در دوران خفگان حکومت نظریه ارسطویی زندگی می‌کرد، تحولی عظیم در علوم مختلف ایجاد شد و بساط نظریه ارسطویی تقریبا برچیده شد. این دوران همزمان با دوره نیوتن بود. نیوتن در این زمان قانون جهانی گرانش خود را بیان کرد. نیوتن با تکیه بر قوانین حرکت خود توانست ماهیت نیروهای وارد بر سیارات را کشف کند. وی به این نتیجه رسید که یک قانون جهانی گرانش در مورد همه اجسامی که در منظومه شمسی حرکت می‌کنند، وجود دارد.
بعد از نیوتن دانشمندان دیگری در مورد حرکت سیارات منظومه شمسی به مطالعه پرداختند و هر روز نتایج و نظریه‌های جدیدی حاصل می‌شد. تا اینکه آلبرت انیشتین نظریه نسبیت عام خود را که در مورد گرانش بود، ارائه داد. بعد از کار انیشتین ، دانشمندان مختلفی در تشریح نظریه نسبیت عام تلاش کردند و نظریه‌های جدیدی در مورد کیهان شناسی و گرانش حاصل شد.
قوانین حرکت اجرام آسمانی
در اوایل قرن هفدهم ، پیش از آنکه نیوتن قوانین حرکت خود را کشف کند، کپلر سه قانون زیر را در مورد حرکت سیارات اعلام کرد. کپلر این قوانین را از رصد دقیق و پردامنه‌ای که تیکو براهه از حرکت سیارات انجام داده بود، استنتاج کرد.
سیارات در مدارهای بیضی شکل حرکت می‌کنند که خورشید در یکی از کانونهای آن قرار دارد. این قانون را می‌توان با در نظر گرفتن معادله مسیر حرکت ذره‌ای که تحت تاثیر میدان گرانشی حاصل از یک ذره دیگر حرکت می‌کند، تشریح کرد. در این حالت با احراز شرایط خاصی مسیر حرکت ذره یک مسیر بیضوی خواهد بود. کپلر با مشاهده مدار بیضوی مریخ به این نتیجه رسید که مسیر حرکت سیارات بیضوی خواهد بود. شکل مدار زمین را می‌توان با اندازه‌گیری بزرگی ظاهری خورشید در سال Sideral پیدا کرد. زمین یک مدار بسته را حول خورشید طی می‌کند.
سطح جاروب شده توسط بردار شعاعی که از خورشید تا سیارات رسم می‌گردد، در زمانهای مساوی ، برابر است. این قانون نتیجه‌ای از قانون بقای اندازه حرکت زاویه‌ای است. این قانون نشان می‌دهد که نیروی وارد بر سیارات نیرویی مرکزی است. همانگونه که قانون اول از این حقیقت که نیروی وارد بر سیارات با عکس مربع فاصله متناسب است، حاصل شده بود.
مربع زمان تناوب چرخش سیارات به دور خورشید با مکعب نصف محور بزرگتر بیضی متناسب است. قانون سوم ازاین حقیقت ناشی می‌شود که نیروی گرانشی وارد بر هر ذره با جرم آن ذره متناسب است. با استفاده از این قانون می‌توان جرم خورشید را محاسبه کرد. با استفاده از این قانون ، دانشمندان توانسته‌اند جرم پنج سیاره را که جرمشان به مراتب کمتر است، تعیین کنند.
براساس قوانین کپلر و با در نظر گرفتن اینکه زمین و ماه حول مرکز جرم خود در حال حرکت هستند، جرم ماه 1.81 جرم زمین محاسبه شده است. حرکت زمین سبب اختلاف نظر در وضعیت ظاهری اجرام آسمانی مانند زهره ، مریخ و سیارکها می‌شود. تعیین جرم سیاراتی مانند زهره و عطارد که فاقد ماه هستند، به مراتب مشکلتر است.
قوانین حرکت اجرام آسمانی
در اوایل قرن هفدهم ، پیش از آنکه نیوتن قوانین حرکت خود را کشف کند، کپلر سه قانون زیر را در مورد حرکت سیارات اعلام کرد. کپلر این قوانین را از رصد دقیق و پردامنه‌ای که تیکو براهه از حرکت سیارات انجام داده بود، استنتاج کرد.
سیارات در مدارهای بیضی شکل حرکت می‌کنند که خورشید در یکی از کانونهای آن قرار دارد. این قانون را می‌توان با در نظر گرفتن معادله مسیر حرکت ذره‌ای که تحت تاثیر میدان گرانشی حاصل از یک ذره دیگر حرکت می‌کند، تشریح کرد. در این حالت با احراز شرایط خاصی مسیر حرکت ذره یک مسیر بیضوی خواهد بود. کپلر با مشاهده مدار بیضوی مریخ به این نتیجه رسید که مسیر حرکت سیارات بیضوی خواهد بود. شکل مدار زمین را می‌توان با اندازه‌گیری بزرگی ظاهری خورشید در سال Sideral پیدا کرد. زمین یک مدار بسته را حول خورشید طی می‌کند.
سطح جاروب شده توسط بردار شعاعی که از خورشید تا سیارات رسم می‌گردد، در زمانهای مساوی ، برابر است. این قانون نتیجه‌ای از قانون بقای اندازه حرکت زاویه‌ای است. این قانون نشان می‌دهد که نیروی وارد بر سیارات نیرویی مرکزی است. همانگونه که قانون اول از این حقیقت که نیروی وارد بر سیارات با عکس مربع فاصله متناسب است، حاصل شده بود.
مربع زمان تناوب چرخش سیارات به دور خورشید با مکعب نصف محور بزرگتر بیضی متناسب است. قانون سوم ازاین حقیقت ناشی می‌شود که نیروی گرانشی وارد بر هر ذره با جرم آن ذره متناسب است. با استفاده از این قانون می‌توان جرم خورشید را محاسبه کرد. با استفاده از این قانون ، دانشمندان توانسته‌اند جرم پنج سیاره را که جرمشان به مراتب کمتر است، تعیین کنند.
براساس قوانین کپلر و با در نظر گرفتن اینکه زمین و ماه حول مرکز جرم خود در حال حرکت هستند، جرم ماه 1.81 جرم زمین محاسبه شده است. حرکت زمین سبب اختلاف نظر در وضعیت ظاهری اجرام آسمانی مانند زهره ، مریخ و سیارکها می‌شود. تعیین جرم سیاراتی مانند زهره و عطارد که فاقد ماه هستند، به مراتب مشکلتر است.
ارتباط مکانیک سماوی با سایر علوم
می‌توان گفت که بین حرکت سیارات حول خورشید و مسئله حرکت الکترون‌ها حول هسته اتم ، مشابهت وجود دارد. به عبارت دیگر ، حرکت سیارات یک حالت تقریبا ماکروسکوپی در ابعاد خیلی بزرگ از حرکت در درون اتم است، هر چند که ماهیت این دو پدیده تفاوتهای زیادی با هم دارند. بنابراین از همین جا ارتباط مکانیک سماوی با مکانیک کلاسیک و مکانیک کوانتومی روشن می‌گردد. همچنین مکانیک سماوی با اختر فیزیک ، نجوم و کیهان شناسی نیز ارتباط تنگاتنگ دارد و اصولا در بعضی موارد تعیین حد و مرز میان این علوم کار بسیار دشواری است.
اهمیت مکانیک سماوی
روشن است که بیشتر اطلاعات و آگاهی‌های انسان در مورد اجرام آسمانی بوسیله ماهواره‌ها و سفینه‌های فضایی که بوسیله انسان به فضا پرتاب شده‌اند، حاصل شده است. اما دانستن این مطلب که یک سفینه فضایی تحت چه شرایطی باید در فضا حرکت کند و یا چگونگی قرار گرفتن آن در مدار زمین ، از جمله مسائلی هستند که بوسیله مکانیک سماوی مطالعه و تشریح می‌گردند و همین امر اهمیت مکانیک سماوی را روشن می‌کند.
می‌توان گفت که بین حرکت سیارات حول خورشید و مسئله حرکت الکترون‌ها حول هسته اتم ، مشابهت وجود دارد. به عبارت دیگر ، حرکت سیارات یک حالت تقریبا ماکروسکوپی در ابعاد خیلی بزرگ از حرکت در درون اتم است، هر چند که ماهیت این دو پدیده تفاوتهای زیادی با هم دارند. بنابراین از همین جا ارتباط مکانیک سماوی با مکانیک کلاسیک و مکانیک کوانتومی روشن می‌گردد. همچنین مکانیک سماوی با اختر فیزیک ، نجوم و کیهان شناسی نیز ارتباط تنگاتنگ دارد و اصولا در بعضی موارد تعیین حد و مرز میان این علوم کار بسیار دشواری است.
اهمیت مکانیک سماوی
روشن است که بیشتر اطلاعات و آگاهی‌های انسان در مورد اجرام آسمانی بوسیله ماهواره‌ها و سفینه‌های فضایی که بوسیله انسان به فضا پرتاب شده‌اند، حاصل شده است. اما دانستن این مطلب که یک سفینه فضایی تحت چه شرایطی باید در فضا حرکت کند و یا چگونگی قرار گرفتن آن در مدار زمین ، از جمله مسائلی هستند که بوسیله مکانیک سماوی مطالعه و تشریح می‌گردند و همین امر اهمیت مکانیک سماوی را روشن می‌کند.
No comments:
Post a Comment