الدفع في الفضاء Propulsion in Space - كتاب الفيزياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

📚 الدفع في الفضاء

المفاهيم الأساسية

النظام المغلق والمعزول: النظام الذي تكون فيه القوى المؤثرة كلها داخلية، مما يحفظ الزخم الكلي.

المحرك الأيوني: محرك يعمل على تأين ذرات الزينون وتسريعها بسرعات عالية لتوليد دفع صغير لكن مستمر لفترات طويلة.

خريطة المفاهيم

```markmap

الزخم وحفظه

2-3 حفظ الزخم

تطبيق: مثال 2 (تصادم سيارتين)

#### قبل التصادم

##### - سيارة C: m = 1875 kg, v = +23 m/s

##### - سيارة D: m = 1025 kg, v = +17 m/s

#### بعد التصادم (الالتصاق)

##### - السرعة النهائية (v) = ؟

#### الحل

##### - الزخم محفوظ (أرضية ملساء ⇒ قوة خارجية كلية ≈ صفر)

##### - P_{Ci} + P_{Di} = P_{Cf} + P_{Df}

##### - m_C v_{Ci} + m_D v_{Di} = (m_C + m_D) v_f

##### - v_f = \frac{m_C v_{Ci} + m_D v_{Di}}{m_C + m_D}

##### - v_f = \frac{(1875)(+23) + (1025)(+17)}{1875 + 1025} = +21 \ m/s

تقويم الجواب

#### - الوحدات: السرعة بـ m/s (صحيحة).

#### - الاتجاه: السرعات موجبة، والنتيجة موجبة (منطقي).

#### - المنطق: السرعة النهائية (21 m/s) بين السرعتين الابتدائيتين (17 و 23 m/s) وأقرب لسرعة السيارة الأكبر كتلة (منطقي).

مسائل تدريبية (التصادم غير المرن)

#### - (12) سيارتا شحن متماثلتان، إحداهما ساكنة.

#### - (13) حارس مرمى يمسك قرص هوكي.

#### - (14) رصاصة تستقر في قطعة خشب.

#### - (15) رصاصة تخترق كيس طحين (تصادم غير مرن جزئي).

#### - (16) رصاصة ترتد عن كرة فولاذية.

#### - (17) كرتان تتدحرجان في اتجاهين متعاكسين.

الارتداد (Recoil)

النظام المعزول

#### - القوى المؤثرة كلها داخلية.

#### - الزخم الكلي محفوظ.

مثال: متزلجان

#### - قبل الدفع: الزخم الكلي = 0 (انطلقا من السكون).

#### - بعد الدفع: الزخم الكلي = 0.

#### - P_{Cf} + P_{Df} = 0

#### - m_C V_{Cf} = - m_D V_{Df}

#### - V_{Cf} = (-\frac{m_D}{m_C}) V_{Df}

#### - السرعتان متساويتان في المقدار ومتعاكستان في الاتجاه فقط إذا كانت الكتلتان متساويتين.

#### - السرعة تعتمد على نسبة الكتلة: الجسم الأخف يتحرك بسرعة أكبر.

تجربة: ارتفاع الارتداد

#### - خطوات التجربة لمقارنة ارتداد كرة كبيرة وصغيرة.

#### - أسئلة التحليل: وصف ومقارنة وتفسير الارتداد.

الدفع في الفضاء

الصواريخ الكيميائية التقليدية

#### - مبدأ العمل: احتراق الوقود والمادة المؤكسدة داخل المحرك.

#### - إنتاج غازات حارة تندفع بسرعة عالية من فوهة العادم.

#### - النظام: مغلق ومعزول (القوى داخلية).

#### - أساس التسارع: قانون حفظ الزخم وقانون نيوتن الثالث.

المحركات الأيونية (مثل مسبار Deep Space 1)

#### - مبدأ العمل: تأين ذرات الزينون وتسريعها.

#### - سرعة الذرات: 30 km/s.

#### - قوة الدفع: صغيرة جدًا (0.092 N).

#### - سرعة التغير في الزخم: يعمل المحرك لفترات طويلة جدًا (أيام، أسابيع، أشهر).

#### - النتيجة: يولد دفعًا كافيًا لتسريع مركبة فضائية (كتلتها 490 kg) للوصول للسرعة المطلوبة.

```

نقاط مهمة

• تتسارع الأجسام في الفضاء باستخدام قانون حفظ الزخم وقانون نيوتن الثالث.
• في الصاروخ التقليدي، القوى التي تدفع الغازات هي قوى داخلية، لذا يكون النظام مغلقًا ومعزولًا.
• المحرك الأيوني يولد قوة صغيرة جدًا لكنه يعمل لفترات طويلة، مما ينتج تغيرًا كبيرًا في الزخم بمرور الوقت.
• الفرق الرئيسي بين المحركين هو مدة التشغيل: الكيميائي يعمل لدقائق، بينما الأيوني يعمل لأشهر.

الدفع في الفضاء Propulsion in Space

كيف تتغير السرعة المتجهة للصاروخ في الفضاء ؟ يُزوّد الصاروخ بالوقود والمادة المؤكسدة، وعندما يمتزجان معا في محرك الصاروخ تنتج غازات حارة بسبب الاحتراق، وتخرج من فوهة العادم بسرعة كبيرة. فإذا كان الصاروخ والمواد الكيميائية هما النظام، فإن النظام يكون مغلقا. وتكون القوى التي تنفث الغازات قوى داخلية، لذا يكون النظام معزولاً أيضًا. ولذلك فإن الأجسام الموجودة في الفضاء يمكنها أن تتسارع، وذلك باستخدام قانون حفظ الزخم وقانون نيوتن الثالث في الحركة.

تمكن مسبار ناسا الفضائي، والمسمى "1 Deep Space " من المرور بأحد الكويكبات منذ بضعة سنوات، وذلك بفضل استخدام تقنية حديثة فيه، تتمثل في "محرك أيوني "يؤثر بقوة مماثلة للقوة الناتجة عن ورقة مستقرة على يد شخص. يبين الشكل 7-3 المحرك الأيوني، الذي يعمل بشكل مختلف عن المحرك التقليدي للصاروخ؛ والذي فيه تندفع نواتج التفاعل الكيميائي - التي تحدث داخل حجرة الاحتراق - بسرعة عالية من الجزء الخلفي من الصاروخ. أما في المحرك الأيوني فإنّ ذرات الزينون تنطلق بسرعة مقدارها 30 km / s مولدة قوة مقدارها 0.092 N فقط. ولكن كيف يمكن لمثل هذه القوة الصغيرة أن تنتج تغيرًا كبيرًا في زخم المسبار ؟ على عكس الصواريخ الكيميائية التقليدية والتي يعمل محركها لدقائق قليلة فقط، فإنّ المحرك الأيوني في المسبار يمكن أن يعمل أيامًا، أو أسابيع أو حتى أشهرا؛ لذا فإن الدفع الذي يوفره المحرك يكون كبيرا بدرجة كافية تسمح بزيادة زخم المركبة الفضائية التي كتلتها 490 kg حتى تصل إلى السرعة المطلوبة لإنجاز مهمتها.

الشكل 7-3 تتأين ذرات الزينون الموجودة في المحرك الأيوني عن طريق قذفها بالإلكترونات، ثم تسرع أيونات الزينون الموجبة إلى سرعات عالية.

الدفع في الفضاء Propulsion in Space كيف تتغير السرعة المتجهة للصاروخ في الفضاء ؟ يُزوّد الصاروخ بالوقود والمادة المؤكسدة، وعندما يمتزجان معا في محرك الصاروخ تنتج غازات حارة بسبب الاحتراق، وتخرج من فوهة العادم بسرعة كبيرة. فإذا كان الصاروخ والمواد الكيميائية هما النظام، فإن النظام يكون مغلقا. وتكون القوى التي تنفث الغازات قوى داخلية، لذا يكون النظام معزولاً أيضًا. ولذلك فإن الأجسام الموجودة في الفضاء يمكنها أن تتسارع، وذلك باستخدام قانون حفظ الزخم وقانون نيوتن الثالث في الحركة. تمكن مسبار ناسا الفضائي، والمسمى "1 Deep Space " من المرور بأحد الكويكبات منذ بضعة سنوات، وذلك بفضل استخدام تقنية حديثة فيه، تتمثل في "محرك أيوني "يؤثر بقوة مماثلة للقوة الناتجة عن ورقة مستقرة على يد شخص. يبين الشكل 7-3 المحرك الأيوني، الذي يعمل بشكل مختلف عن المحرك التقليدي للصاروخ؛ والذي فيه تندفع نواتج التفاعل الكيميائي - التي تحدث داخل حجرة الاحتراق - بسرعة عالية من الجزء الخلفي من الصاروخ. أما في المحرك الأيوني فإنّ ذرات الزينون تنطلق بسرعة مقدارها 30 km / s مولدة قوة مقدارها 0.092 N فقط. ولكن كيف يمكن لمثل هذه القوة الصغيرة أن تنتج تغيرًا كبيرًا في زخم المسبار ؟ على عكس الصواريخ الكيميائية التقليدية والتي يعمل محركها لدقائق قليلة فقط، فإنّ المحرك الأيوني في المسبار يمكن أن يعمل أيامًا، أو أسابيع أو حتى أشهرا؛ لذا فإن الدفع الذي يوفره المحرك يكون كبيرا بدرجة كافية تسمح بزيادة زخم المركبة الفضائية التي كتلتها 490 kg حتى تصل إلى السرعة المطلوبة لإنجاز مهمتها. الشكل 7-3 تتأين ذرات الزينون الموجودة في المحرك الأيوني عن طريق قذفها بالإلكترونات، ثم تسرع أيونات الزينون الموجبة إلى سرعات عالية. --- VISUAL CONTEXT --- **FIGURE**: تتأين ذرات الزينون Description: Image of an ion engine with blue light emitting from the center. Context: Illustrates the ionization of xenon atoms in an ion engine.