ما العلاقة بين قوانين نيوتن ورحلات الفضاء؟

يمكننا القول إن العالم كله محكوم بالفيزياء. ومن هذه الفيزياء قوانين نيوتن. لكن ما العلاقة بين قوانين نيوتن ورحلات الفضاء؟

وصفت قوانين نيوتن حركة الأشياء في شتّى مجالات الحياة، وارتبطت ارتباطًا وثيقًا بحركة الكواكب والجسيمات حول الأرض. حيث لاحظ العديد من العلماء انبثاق طاقةٍ هائلةٍ من محركات المركبات الفضائية عند انطلاقها نحو الفضاء. فلولا هذه القوانين الثلاثة لما تمكّن روّاد الفضاء من الوصول إلى القمر، وبذلك شكّلت قوانين نيوتن الثلاثة المرتكز العلميّ الأساسي للرحلات الفضائية.

وهو ينص على أنه “يبقى الجسم ساكنًا ما لم تؤثر عليه قوةٌ خارجيةٌ تحرّكه من مكانه، كما يبقى الجسم المتحرّك بسرعةٍ ثابتةٍ على استقامةٍ واحدةٍ ما لم يخضع لقوةٍ خارجيةٍ تغير من حالته الحركيّة”. وقد أفاد هذا القانون في علم الفضاء، عبر بقاء المركبة الفضائية مكانها وعدم تحرّكها إلا في حال تشغيلها واندفاعها نحو الأعلى بقوة محركها. وبالتالي، تسير المركبة الفضائية بسرعةٍ ثابتةٍ خلال رحلتها الفضائية ما لم تصطدم بجسيمٍ أو كويكبٍ آخر.

هذا القانون يجعل المركبة الفضائية ثابتة على منصة الاطلاق حتى يتم تشغيل محركات الدفع، ويمكّن هذا القانون مركبة الفضاء من الاستمرار في تحليقها في الفضاء.

وينصّ على أنه “ينتج عن القوة المؤثرة على جسمٍ ما، تسارعٌ طرديٌ معها وعكسيٌ مع كتلة الجسم. أي كلما ازدادت القوة، كلما تزايد التسارع.” يفيد هذا القانون في شرح كيفية تحرّك الجسم عند تأثير قوةٍ خارجيةٍ عليه.

فالقانون الثاني لنيوتن يتعلق بحركة الأجسام فهو يقول بأن الجسم إما يتحرك بشكل متسارع أو يتباطئ في حال وقع تحت تأثير جسم آخر، ويعتمد هذا التباطئ أو التسارع على كتلة الجسم ومقدار القوة المؤثرة، ويفيد هذا المبدأ في حساب التسارع والمؤثرات الخارجية التي تتعرض لها مركبة الفضاء أثناء انطلاقها.

وقد نصّ قانون نيوتن الثالث على ما يلي “لكلّ فعلٍ ردّ فعلٍ، مساويًا له في القيمة ومعاكسًا في الاتجاه”. وترتكز آلية عمل المركبة الفضائية على هذا القانون، حيث يمثّل الفعل بالنسبة للمركبة الفضائية الانفجار الناتج عن احتراق الوقود ضمن محرّكها، بينما تشكّل حركتها ردّ الفعل.

ويتمثل الفعل بالانفجار الناتج عن احتراق الغاز في محرك المركبة الفضائية عند انطلاقها، ويتمثل رد الفعل بالمكوك الفضائي الذي يقدم رد فعل مساوي لهذه القوة وبعكس اتجاهها.

تولد محركات الدفع الموجودة في المركبة الفضائية قوة دفع كبيرة جداً عند ارسالها إلى الفضاء، وهذه القوة ضرورية لإيصالها إلى الفضاء، وغيرت قوانين نيوتن الثلاث الكثير من المفاهيم في عالم الفيزياء وأثرت بشكل كبير في نجاح رحلات الفضاء، وتُعتبر هذه القوانين بمثابة الركيزة الأساسية التي يتم بناء الرحلات الفضائية عليها، ومن دون هذه القوانين من غير الممكن الوصول إلى الفضاء.

تستخدم المركبات الفضائية قوة الدفع بالوقود للانطلاق إلى الفضاء الخارجي حيث تعتمد على قوانين نيوتن لإرسال الرحلات إلى الفضاء الخارجي، فيولد الصاروخ قوة دفع إلى الأسفل عن طريق احتراق الوقود والتي تدفع الصاروخ إلى الانطلاق للأعلى، وذلك بحسب قانون نيوتن الثالث الذي ينص على أنه لكل فعل رد فعل يساويه في الشدة ويعاكسه في الاتجاه.

ويزداد تسارع الصاروخ كلما طبقنا قوة في الاتجاه المعاكس لانطلاقه، وكلما زاد ثقل الصاروخ سنحتاج إلى قوة دفع أكبر وذلك اعتماداً على قانون نيوتن الثاني F=ma حيث أن القوة التي تعمل على الجسم ( F ) تساوي كتلة الجسم (m) مضروبة في التسارع الذي يخضع له (a).

وبعد أن ينفصل الصاروخ عن المركبة الفضائية حيث تنعدم الجاذبية والهواء، يُطبق على المركبة الفضائية قانون نيوتن الأول حيث أن الجسم الساكن يبقى ساكناً والجسم المتحرك يبقى متحركاً ما لم تؤثر عليه قوة خارجية، وهذا ما يساعد في تحريك المركبة دون الحاجة لقوة دفع كبيرة لأنها ستبقى متحركة بنفس الاتجاه مالم تؤثر عليها قوة خارجية توقفها أو تغير مسارها.

وهذا هو السبب في أن رواد الفضاء يتم ربطهم بحبل يوصل إلى المركبة الفضائية فحركتهم باتجاه الفضاء لا يمكن إيقافها ما إن تبدأ، ما يمكن رواد الفضاء من العودة إلى المركبة  الفضائية بأمان.