Του Δημήτρη Δημόπουλου

Η έννοια του βαρυτικού πηγαδιού

Το βαρυτικό πεδίο της Γης περιγράφεται από τη δύναμη και αντίστοιχα την επιτάχυνση g(r) που δέχεται ένα σώμα σε απόσταση r από το κέντρο της. Προσοχή, για να χρησιμοποιήσουμε σωστά τους νόμους της Μηχανικής, θα πρέπει να θυμόμαστε ότι όλες τις αποστάσεις πρέπει να τις μετράμε από το κέντρο μάζας των σωμάτων γύρω από τα οποία κινείται το διαστημόπλοιο. Ένα διαστημόπλοιο σε χαμηλή τροχιά 400 km, απέχει από το κέντρο της Γης R+400 km, όπου R είναι η ακτίνα της Γης, ίση με 6378 km.
Σε μία απόσταση r από το κέντρο της Γης ισχύει:

\(F_r=G Mm/r^2   \)         (3.1) H βαρυτική δύναμη
\(​g_r=G M/r^2 =  μ/r^2 \)       (3.2) Η βαρυτική επιτάχυνση

Του Δημήτρη Δημόπουλου

Το άρθρο είναι το πρώτο μίας σειράς 4 άρθρων με τίτλους: α) Ο χώρος κοντά στη Γη β) Εισαγωγή στη Μηχανική τροχιακών κινήσεων γ) Διαπλανητικές τροχιές δ) Πυραυλικά συστήματα. Ως πρώτο άρθρο αποτελεί μία βασική εισαγωγή που θα μας επιτρέψει στη συνέχεια να δούμε σε βάθος τις προκλήσεις που αντιμετωπίζει ο σχεδιασμός διαστημικών αποστολών και τη τεχνολογία που έχουμε μέχρι σήμερα αναπτύξει, μαζί με τους περιορισμούς της.

Το ορατό Σύμπαν είναι ένας συγκλονιστικά μεγάλων διαστάσεων χώρος με ακτίνα πολλών δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Με τη σημερινή τεχνολογία, ακόμα και η επίσκεψη σε γειτονικά αστρικά συστήματα φαντάζει εντελώς ακατόρθωτη. Μπορούμε λοιπόν με βεβαιότητα να πούμε ότι η εξερεύνηση του Σύμπαντος αφορά την ανθρωπότητα σε μερικούς αιώνες ή χιλιετίες από σήμερα κι αφού φυσικά έχει ξεπεράσει τις «παιδικές αρρώστιες» της (πόλεμοι, φτώχεια, περιβαλλοντική καταστροφή κ.α.) που δημιουργούν κινδύνους για την επιβίωση της ακόμα και στην ίδια τη Γη. Προσπαθώντας να οριοθετήσουμε την εξαιρετικά μικρή περιοχή του Σύμπαντος που μπορούμε να εξερευνήσουμε τώρα, εισάγουμε την έννοια του Διαστήματος ως ένα υποσύνολο του Σύμπαντος, κοντά στη Γη, όπου οι διαστημοσυσκευές μας μπορούν να διασχίσουν για να φτάσουν στους προορισμούς τους. Αν και δεν υπάρχει σαφές όριο για το που τελειώνει το Διάστημα, υπάρχει σίγουρα ορισμός για το πού ξεκινάει. Το Διάστημα λοιπόν ξεκινάει 100 km πάνω από την επιφάνεια της Γης, στην γραμμή Κάρμαν[1]. Σε αυτό το όριο, η ατμόσφαιρα είναι τόσο αραιή που ένα αεροπλάνο για να έχει αεροδυναμική άντωση θα έπρεπε να κινείται με ταχύτητα που θα το καθιστούσε δορυφόρο της Γης. Οτιδήποτε «πετάει» πάνω από την γραμμή Κάρμαν, κινείται δηλαδή με τόσο μεγάλες ταχύτητες που δε χρειάζεται καν φτερά για να κρατηθεί σε τροχιά γύρω από τη Γη. H NASA έχει το δικό της όριο των 80 km και θεωρεί αστροναύτες του πιλότους που το ξεπερνούν. Στην πράξη κανένα διαστημόπλοιο δεν μπορεί να κρατήσει σταθερή τροχιά κάτω από τα 120 km λόγω αεροδυναμικής αντίστασης από την ελάχιστη ατμόσφαιρα που υπάρχει ακόμη. Οι χαμηλότερες τροχιές που μπορούν να διατηρηθούν, έστω και προσωρινά, είναι στα 160 – 180 km.


[1] Ο Theodore von Kármán (Τεόντορ φον Κάρμαν, 1881–1963) ήταν ένας Ούγγρος-Αμερικανός Μηχανικός και Φυσικός, ευρέως αναγνωρισμένος ως ένας από τους θεμελιωτές της αεροδυναμικής και της αεροδιαστημικής μηχανικής.

Γράφει η Αφροδίτη Νάση και η Πηνελόπη Αγγελοπούλου

Στα προηγούμενα Τεύχη του Physics Time, αναφερθήκαμε στους διάφορους πληθυσμούς  φορτισμένων σωματιδίων που περιέχει η γήινη μαγνητόσφαιρα (βλέπε Άρθρο 1ου Τεύχους: Παγιδευμένα φορτισμένα σωματίδια γύρω από τη Γη), και εξετάσαμε τον τρόπο με τον οποίο ένα φορτισμένο σωματίδιο καταλήγει να εκτελεί γυροκίνηση γύρω από μία μαγνητική δυναμική γραμμή (βλέπε Άρθρο 2ου Τεύχους: Γυροκίνηση – ο Lorentz και η έλικα). Σε αυτό το άρθρο θα δούμε κάποιες χαρακτηριστικές ιδιότητες αυτής της κίνησης, που θα μας υποδείξουν το πώς οδηγούμαστε στην κίνηση ανάκλασης/αναπήδησης κατά μήκος μιας μαγνητικής δυναμικής γραμμής.
Σύμφωνα με τη γενικότερη περίπτωση, η οποία αναλύθηκε στο 2ο Τεύχος, σε ένα σωματίδιο μάζας m και φορτίου q, το οποίο κινείται με ταχύτητα V και επιτάχυνση a, σε περιοχή με μαγνητικό πεδίο B και ηλεκτρικό πεδίο E, στο οποίο ασκείται και μια εξωτερική δύναμη F, θα ασκείται η συνολική δύναμη:

Γράφει η Αφροδίτη Νάση και η Πηνελόπη Αγγελοπούλου

Η γήινη μαγνητόσφαιρα περιέχει διάφορους πληθυσμούς πλάσματος φορτισμένων σωματιδίων, οι οποίοι προέρχονται είτε από τη γήινη ιονόσφαιρα είτε από τον ηλιακό άνεμο (βλέπε και άρθρο 1ου Τεύχους: Παγιδευμένα φορτισμένα σωματίδια γύρω από τη Γη). Οι πληθυσμοί αυτοί αλληλεπιδρούν και επηρεάζουν ταυτόχρονα τις δομές των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων, οι οποίες με τη σειρά τους καθορίζουν και την ίδια την κίνηση των σωματιδίων, οδηγώντας τα στο να πραγματοποιούν τις τρεις χαρακτηριστικές κινήσεις τους (Εικόνα 1): τη γυροκίνηση (gyro-motion), την κίνηση αναπήδησης (bounce motion) και την κίνηση ολίσθησης (drift motion). Ποιοι μηχανισμοί όμως οδηγούν σε αυτό το αποτέλεσμα; Σε αυτό το άρθρο θα εξετάσουμε τον τρόπο με τον οποίο ένα φορτισμένο σωματίδιο καταλήγει να εκτελεί γυροκίνηση γύρω από μία μαγνητική δυναμική γραμμή.

Του Δημήτρη Δημόπουλου

Το Space Shuttle Program ήταν ένα φιλόδοξο στρατηγικό σχέδιο της NASA που διαφημίστηκε από τη διοίκηση του οργανισμού αλλά και από την αμερικανική κυβέρνηση ως μία οικονομική κι αξιόπιστη λύση στις ολοένα αυξανόμενες ανάγκες για συχνές διαστημικές πτήσεις με επαναχρησιμοποιούμενα αεροσκάφη. Η ιδέα είχε ήδη μπει σε διαβούλευση από τη δεκαετία του 1960, και περιλάμβανε την κατασκευή κάποιου είδους οχήματος το οποίο ναι μεν θα εκτοξευόταν με τη βοήθεια πυραύλων αλλά θα μπορούσε να επανέρχεται και να προσγειώνεται άθικτο μετά τη διαστημική αποστολή του. Η προώθηση του προγράμματος σκόπευσε να αναζωπυρώσει το ενδιαφέρον του αμερικανικού λαού για το διάστημα και να δικαιολογήσει και τα τεράστια χρηματικά ποσά που απαιτούσε ο διαρκής ανταγωνισμός με τη Σοβιετική Ένωση. Και το κατάφερε.

Γράφει η Αφροδίτη Νάση και η Πηνελόπη Αγγελοπούλου

Η Γη αποτελεί έναν από τους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος ο οποίος διαθέτει ενδογενές μαγνητικό πεδίο, δηλαδή πεδίο που παράγεται από μηχανισμούς στο εσωτερικό του (βλ. ‘’γεωδυναμό’’). Το μαγνητικό πεδίο της Γης, κοντά στην επιφάνειά της, ακολουθεί προσεγγιστικά την κλασική μορφή ενός διπόλου (Εικόνα 1), όπως αυτή που παράγεται από έναν γραμμικό μαγνήτη. Αυτό συμβαίνει περίπου μέχρι την απόσταση των 6 ακτίνων Γης (ή περίπου των 38.000 χιλιομέτρων). Όσο απομακρυνόμαστε από την επιφάνεια της Γης, η μορφή του πεδίου αποκλίνει από την ιδανική διπολική εξαιτίας της αλληλεπίδρασής του με τον ηλιακό άνεμο, μια συνεχή ροή σωματιδίων που ρέει από τον Ήλιο προς όλες τις διευθύνσεις. Ο ηλιακός άνεμος παραμορφώνει το μαγνητικό πεδίο της Γης, συμπιέζοντάς το στην προσήλια πλευρά, και επιμηκύνοντάς το στην αφήλια, δίνοντάς του τη χαρακτηριστική του μορφή, που μοιάζει με σταγόνα νερού (Εικόνα 2). Η κοιλότητα αυτή μέσα στην οποία επικρατεί το μαγνητικό πεδίο της Γης, ονομάζεται γήινη μαγνητόσφαιρα.