مركز الثقل




هي النقطة التي تقع عندها كتلة جسم ما في موضع معين بغرض فهم حركة هذا الكائن، فمركز ثقل جسم كروي منتظم هو النقطة التي يقع فيها مركز هذا الجسم، كما أن مركز ثقل قضيب منتظم ذي مقطع عرضي دائري هو النقطة التي تقع في مركز الجزء المقطعي العرضي من القضيب الذي يقع في منتصف القضيب طوليا. وفي بعض الأجسام ذات الشكل غير المنتظم، قد يقع مركز الثقل خارج الجسم.
ولقد ظهر مفهوم مركز الثقل للمرة الأولى في أعمال أرشميدس فوفقًا له: 'إن مركز الثقل للجسم هو نقطة خاصة في داخله، بحيث أن الجسم إذا وضع (علق) في هذه النقطة، فإنه يبقى في حالة السكون ويحافظ على وضعه الأصلي، وذلك لأن جميع المستويات التي تمر بهذه النقطة تقسم الجسم إلى أجزاء تتوازن فيما بينها'.
وفي القرن الرابع الهجري / العاشر الميلاد عرف إخوان الصفا مقدار الثقل في رسائلهم بقولهم: 'وأما الثقل والخفة في بعض الأجسام، فهو من أجل أن الأجسام الكليات كل واحد له موضع مخصوص، ويكون واقفا فيه لا يخرج إلا بقسر قاسر، وإذا خلى رجع إلى مكانه الخاص به، فإن منعه مانع وقع التنازع بينهما، فإن كان النزوع نحو مركز العالم يسمى ثقيلا، وإن كان نحو المحيط يسمى خفيفا'.
وقد ذكر ابن الهيثم في كتابه المناظر : الحركة المكتسبة إنما تكون بحسب مقدار المسافة وبحسب مقدار الثقل.' وبهذا يقرر ابن الهيثم أن قوة الحركة إنما تكون بحسب مسافة السقوط وبحسب ما في الجسم من مادة.
ولقد أدرك الخازن العلاقة بين قوة التساقط والمسافة بين الجسم الساقط ومركز الجذب فيقول في كتابه ميزان الحكمة : 'إن الأجسام الساقطة تنجذب نحو مركز الأرض . وإن إختلاف قوة الجذب يرجع إلى المسافة بين الجسم الساقط وهذا المركز.'وهذه إشارة واضحة إلى أن الجسم كلما كانت مسافة سقوطه أطول، كانت سرعة سقوطه أعلى، ومن ثم كانت قوة ارتطامه أشد. وهو مفهوم كمية الحركة التي تتناسب مع سرعة الجسم ومع كتلته.
وبمثل هذا المفهوم يشرح ابن ملكا البغدادي أن سرعة السقوط تتزايد بتأثير جاذبية الأرض فيقول في كتابه المعتبر في الحكمة : 'فإنك ترى أن مبدأ الغاية كلما كان أبعد، كان آخر حركته أسرع، وقوة ميله أشد، و بذلك يشج ويسحق. ولا يكون ذلك له إذا ألقي عن مسافة أقصر، بل يبين التفاوت في ذلك بقدر طول المسافة التي يسلكها'
أما ابن سينا فقد أشار إلى علاقة قوة التثاقل وحجم الجسم فيذكر في كتابه الإشارات و التنبيهات : القوة في الجسم الأكبر، إذا كانت مشابهة للقوة في الجسم الأصغر، حتى لو فصل من الأكبر مثل الأصغر، تشابهت القوتان بالإطلاق، فإنها في الجسم الأكبر أقوى وأكثر، إذ فيها من القوة شبيه تلك وزيادة'
وقد أشار الخازن إلى مفهوم مركز الثقل بقوله: 'كل جسمين ثقيلين بينهما واصل يحفظ وضع أحدهما عند الآخر، ولمجموعهما مركز ثقل وهو نقطة واحدة فقط. وإذا تعادل جسمان بثقلهما في نقطة مفروضة فإن نسبة ثقل إحداهما إلى ثقل الآخر كنسبة قسمي الخط الذي يمر بتلك النقطة ويمر بمركزي ثقلهما'.
ويقول: 'الأجسام المتساوية في القوة والحجم والشكل والبعد عن مركز العالم متساوية'. وإن 'كل جرم ثقيل معلوم الوزن لبعد مخصوص عن مركز العالم تختلف زنته بحسب اختلاف بعده منه، فكلما كان أبعد كان أثقل وإذا قرب كان أخف'.
ولقد حاول الإسفزاري التوصل إلى نظرية مركز الثقل من خلال تجربة أعدها كما يلي:
'ندع كرات تتدحرج في وعاء نصف كروي؛ نرمي أولا كرة واحدة، ثم كرتين متساويتين في القطر والوزن، وأخيرا كرتين مختلفتين في القطر والوزن. ففي الحالة الأولى يكون مركز ثقل الكرة موجودا على السهم الذي يصل مركز الوعاء مع مركز الكون. وفي الحالة الثانية يكون مركز ثقل المجموعة الذي يصل مركز ثقل الوعاء مع مركز الكون. وفي الحالة الثالثة يكون مركز الثقل في نقطة من السهم تبعد عن مركزي ثقل الكرتين بمسافتين متناسبتين عكسيا مع وزنيهما'.

وعند محاولة فهم وحساب حركة جسم ما، فإن تركيز الاهتمام على مركز الثقل غالبا ما يبسط المشكلة. فعلى سبيل المثال، القضيب الذي يلقى في الهواء يتحرك بطريقة معقدة، فهو يتحرك عبر الهواء وفي نفس الوقت يميل للدوران. وإذا تتبعنا حركة نقطة تقع عند طرف القضيب، فإن المسار الذي ستتبعه هذه النقطة سيكون معقدا جدا. ولكن إذا تم تتبع حركة مركز ثقل القضيب، فسوف تتبع النقطة مسارا يشبه القطع الناقص ويمكن توصيف هذا المسار توصيفا رياضيا. بالإضافة إلى ذلك، يمكن وصف الدوران المعقد للقضيب على أنه حركة دائرية بسيطة حول مركز الثقل. كما قد يكون مركز الثقل مفيدا أيضا عند فحص حركات أنظمة معقدة تتكون من أجسام أو جزيئات متعددة مثل حركة الكواكب حول الشمس.

مصعد الفضاء

لا يبقى الخيال العلمي دائما خيالا.. في معظم الأحيان يتم تطويعه ليصبح حقيقة.. لذا فلن تضطر لركوب صاروخ لتصعد إلى الفضاء.. فقط اضغط زر المصعد لتجد نفسك على سطح القمر؛ ففي محاولة لتحويل إحدى الأفكار الخيالية إلى واقع تقوم وكالة 'ناسا' للفضاء حاليا بعمل أبحاث وتجارب لتصميم مصاعد تنقل البشر إلى الفضاء بدون صواريخ.

برزت هذه الفكرة إلى الوجود منذ ما يقرب من 23 عاماً عندما تخيَّل الكاتب 'آرثر كلارك' 'Arthur Clark' في كتابه 'نافورات الجنة' إمكانية بناء أبراج ترتفع إلى 22 ألف ميل فوق سطح الأرض؛ وبذلك يمكنه الصعود إلى الفضاء عن طريق مصاعد داخل هذه الأبراج.

ونظرا لانعدام الوزن عند هذا الارتفاع يكون من السهل الانطلاق إلى الفضاء مباشرة من أعلى هذه الأبراج، وبالتالي الاستغناء عن الصواريخ (أو مكوك الفضاء) التي تُستخدم للوصول إلى مثل هذه الارتفاعات والتي يتكلف إطلاقها مبالغ طائلة.

الفكرة الأولية.. كابل من الأرض

نبعت الفكرة الأولية لدى علماء وكالة ناسا للفضاء في إمكانية ربط الأرض بأحد الأقمار الصناعية التي تدور حولها على ارتفاع 22 ألف ميل فوق خط الاستواء عن طريق كابل.. قد يبدو تخيلا عجيبا، ولكنه في الواقع التطبيقي شيء بسيط.

فالمنظر العام سيبدو ككابل مربوط بالأرض، ويرتفع عموديا إلى عنان السماء. وقد يدور تساؤل في أذهان الكثيرين: هل يمكن أن يتدلى هذا الكابل إلى الأرض حرا هكذا في الهواء من غير أن يقع؟! حقيقة الأمر أن هذا الكابل سيكون معلقا في الفضاء ثابتا بل ومشدودا بإحكام.

يمكن توضيح هذا ببساطة إذا أخذنا دوران الكرة الأرضية حول نفسها في الاعتبار. فهذا الكابل الطويل بدرجه كافية يكون مشدودا إلى خارج الكرة الأرضية (أي إلى الفضاء) بفعل قوة الطرد المركزية الناتجة من دوران الأرض حول نفسها، ويمكنك تخيل ذلك بالإمساك بخيط آخره حجر صغير ومرجحته حول يدك؛ فإنك ستجد أن الخيط يبقى مشدودا دائما إلى خارج يدك.

الخيط هنا يمثل الكابل، ويدك تمثل الأرض وهي تدور، والحجر يمثل القمر الصناعي في آخر الكابل.

في حقيقة الأمر فكرة مصعد الفضاء فكرة بسيطة التنفيذ، ولكن تجابهها بعض المشكلات، الفكرة تبدأ بعملية إطلاق قمر صناعي إلى مدار قريب من الأرض 'Low Earth Orbit' (200 إلى 300 ميل فوق سطح الأرض)، وعملية الإطلاق هذه بسيطة في عصرنا الحالي تتم بواسطة الصواريخ أو مكوك الفضاء.

بعد ذلك يتم نقل القمر الصناعي من المدار المنخفض إلى مدار أعلى (22000 ميل فوق خط الاستواء) باستخدام صواريخ صغيرة مثبتة على القمر الصناعي تُعرف بصواريخ النقل النهائي 'Final Transferring Thrusters'.

الغرض الأساسي من هذا الارتفاع الهائل للقمر الصناعي هو أنه على هذا الارتفاع تدور الأقمار الصناعية حول الأرض بنفس سرعة دوران الأرض حول نفسها، وبالتالي تكون ثابتة بالنسبة لأي نقطة على الأرض، وبالتالي يكون الكابل الذي يصل بين القمر الصناعي والأرض ثابتا لا يتحرك، ثم يتم اختيار نقطة تثبيت الكابل بالأرض بحيث تكون هي مسقط القمر الصناعي على الأرض حتى يكون الكابل مشدودا رأسيا لأعلى دائما.

بعد أن يستقر القمر الصناعي في مداره النهائي حول الأرض يتم إنزال كابل صغير من القمر الصناعي حتى يصل إلى الأرض، حيث يتم استعادة طرفه وتثبيته في منصة على الأرض.

يبلغ طول هذا الكابل حوالي 22000 ميل، في حين لا يتجاوز سُمكه ميكرونا (حوالي 0.0001 سنتيمتر)، وعرضه يقل تدريجيا من 15 سنتيمترا عند نقطة اتصاله بالقمر الصناعي حتى يصل إلى حوالي 5 سنتيمترات عند نقطة اتصاله بالأرض.

الكابل.. في قوة الماس

سيتخيل البعض أن مثل هذا الكابل الذي في سمك الورقة لا يمكن أن يتحمل أي أوزان تعلق عليه، لكن في الحقيقة هو ليس ضعيفا أو هشا، بل هو في قوة تحمل الماس؛ حيث إن له نفس التركيب الجزيئي (يستطيع هذا الكابل أن يدعم أوزان تبلغ حوالي 1238 كيلوجراما).

التركيب الجزيئي للمادة المصنع منها مثل هذا الكابل تتكون من تجمع جزيئات كربونية لها شكل أنبوبي بطول كبير جدا، تسمى 'Carbon nano-tubes'. مثل هذه المواد التي تحتوي على مثل هذه التركيبة الجزيئية تتمتع بخفة الوزن والمتانة العالية؛ حيث إنها من الناحية النظرية أقوى بحوالي ثلاثين ضِعْفًا من أي معدن آخر.

بعد أن يتم تثبيت الكابل بالمنصة على الأرض تأتي الخطوة التالية؛ فيتم تركيب عربة على الكابل، هذه العربة مثبتة باستخدام عجلات من المطاط، ويمكنها الصعود أو النزول على الكابل باستخدام محركات كهربية.

وتستمد هذه المحركات الطاقة اللازمة لها عن طريق شعاع ليزر مركز على خلايا ضوئية مركبة على السطح السفلي للعربة (السطح المواجه للأرض). هذه الخلايا الضوئية هي المسؤولة عن توليد الطاقة الكهربية اللازمة لحركة المركبة.

يركب بهذه العربة طرف من كابل آخر له نفس مواصفات الكابل الأول، وتصعد العربة على الكابل الأول رافعة معها الكابل الثاني حتى تصل العربة إلى آخر الكابل الأول، ويتم ربط العربة بجسم القمر الصناعي، وبذلك نكون قد حصلنا على كابلين يربطان بين القمر الصناعي والأرض، وهذان الكابلان مجتمعين يتحملان مرة ونصفا أكثر من تحمل الكابل الواحد.

وتتم نفس العملية 207 مرة (أي صعود 207 مراكب فنحصل على 208 كوابل تربط بين القمر الصناعي والأرض)، وفي النهاية نجد أن هذه الكابلات مجتمعة تستطيع تحمل صعود عربة تزن 22 طنا (22000 كيلوجرام)، وهذه العربة يمكن أن تُحمل عليها أوزان تصل إلى 14 طنا، ويمكن رفعها إلى الفضاء (إلى ارتفاع 22000ميل) فيما يشبه المصعد؛ ومن هنا جاءت تسميته 'مصعد الفضاء' 'The Space Elevator'.

مصعد الفضاء.. بأربعين بليون دولار

يجب بداية أن نعلم أن التكاليف المتعلقة بإرسال الأقمار الصناعية إلى الفضاء تتكلف أموالا طائلة؛ فعلى سبيل المثال إطلاق الأقمار الصناعية ذات الأوزان الصغيرة الخاصة بالأرصاد أو المهمات الاستكشافية إلى مدارات قريبة من الأرض يتكلف عدة ملايين من الدولارات. في حين أنه لإطلاق الأقمار ذات الأوزان الكبيرة (حوالي طنين) الخاصة بالاتصالات إلى مداراتها العالية (حوالي 22000 ميل) فإن ذلك يتطلب ما يقرب من 400 مليون دولار.

كما أن عملية إصلاح أو استرجاع أحد الأقمار الصناعية من الفضاء إلى الأرض صعبة جدا إن لم تكن مستحيلة، باستثناء مكوك الفضاء الذي يتكلف تشغيله أيضا المئات من الملايين من الدولارات.

من هنا نستطيع أن نرى أهمية كبيرة لمصعد الفضاء؛ فهو وإن كانت تكاليف بنائه كبيرة جدا (قُدرت بحوالي 40 بليون دولار) فإن تكاليف الصعود إلى الفضاء باستخدام مصعد الفضاء سوف تنزل إلى عشرة آلاف مرة أقل من التكاليف اللازمة باستخدام الصواريخ أو مكوك الفضاء الآن.

وفي النهاية من الطريف أن نعلم أنه بعد أن أنهى 'آرثر كلارك' كتابه 'نافورات الجنة' الذي تحدث فيه عن مصعد الفضاء سُئل عن متى يمكن لمثل هذا المصعد أن يتحول من خيال إلى حقيقة؟ فأجاب: بعد أن ينتهي الناس من الضحك عليه بحوالي 50 عاما.

المد والجزر

عبارة عن ارتفاع وانخفاض دوري لكل مياه المحيطات بما في ذلك مياه البحار المفتوحة والخلجان. وينتج المد والجزر بتأثير من جاذبية كل من القمر و الشمس على الأرض ذاتها، وبصفة خاصة على الماء.
ويعتبر القمر هو السبب الرئيسي الذي يؤدي إلى المد والجزر نظرا لقربه من الأرض أكثر من الشمس. وعندما يكون القمر فوق نقطة معينة من سطح الأرض مباشرة، فإنه يؤثر تأثيرا كبيرا على كتلة الماء التي ترتفع -تبعا لذلك- فوق مستواها المعتاد. وعادة توجد موجتان متضادتان من المد والجزر تتعاقبان في دورة مستمرة في كل يوم قمري. ويبلغ متوسط طول اليوم القمري 24 ساعة و50 دقيقة و28 ثانية.
كما تؤدي الشمس أيضا إلى ارتفاع موجتين متضادتين من المد والجزر. ولكن لأن الشمس أكثر بعدا عن الأرض من القمر، فإن قوة الجزر الشمسي تبلغ 46% من الجزر القمري. وتؤدي مجموع القوى التي يبذلها كل من الشمس والقمر إلى موجة تتكون من قمتين من المد والجزر يعتمد موقعها على المواقع النسبية لكل من الشمس والقمر في ذلك الحين. وأثناء فترة الهلال والبدر عندما يكون كل من الشمس والقمر والأرض على خط مستقيم، فإن الموجات الشمسية والقمرية تتزامن مع بعضها البعض، وهذا بدوره يؤدي إلى حالة تعرف بالجزر الربيعي حيث تكون هناك أعلى قيمة للمد، وأعلى قيمة للجزر.
وفي القرن الثالث الهجري / التاسع الميلادي، انفرد الكندي برسالة مستقلة في علة المد والجزر ذكر فيها أسبابه وأنواعه. فعرف نوعين من المد أحدهما المد الطبيعي وعرفه بأنه: 'استحالة الماء من صغر الجسم إلى عظمه'. والثاني المد العرضي وعرفه بأنه: 'زيادة الماء بانصباب مواد فيه'، كما في الأنهار والأودية والفيوض التي أصلها من الأنهار. وأشار إلى أن مثل هذا المد لا تظهر فيه زيادة، وذلك لصغر قدر المياه المضافة إليه من الأنهار وغيرها، بالمقارنة مع مياه البحار، وكذلك بسبب البخر الواقع لها.
ولقد قسم الكندي المد الطبيعي على ثلاثة أنواع:
الأول: المد السنوي وهو الزيادة في مياه البحار في وقت محدد من السنة في موضع دون موضع، حسب حركة الأجرام السماوية.
الثاني: المد الشهري وهو يحدث حسب تغير أوضاع الق مر في دورانه حول الأرض.
الثالث: المد اليومي وهو واقع لتأثير ضوء القمر عليه، فيبتدئ مده مع طلوع القمر عليه، ويبتدئ جزره حين يبتدئ زوال القمر عن سمت رؤوس أهله .
وقد ربط الكندي في جميع الحالات بين قانون التمدد وعلاقته بالرياح، وارتباط كل منها بالمد والجزر.
وفي منتصف القرن العشرين بدأ استخدام الطاقة المنبعثة من المد والجزر في إنتاج الكهرباء. وفي هذه الحالة يتم بناء محطة توليد الطاقة عند مصبات الأنهار. وعند تدفق الجزر القادم من النهر يمر عبر سد، ويقوم بدفع التوربينات ثم يحبس الماء خلف هذا السد. وعندما يمتد الجزر، ينطلق الماء المحبوس ويتدفق عبر السد فيدفع التوربينات مرة أخرى. وتعمل مثل هذه المحطات بكفاءة إذا كان الفارق بين أعلى قيمة للجزر وأقل قيمة له حوالي 8.5 متر.

المجرة

المجرة ظاهرة سماوية ملحوظة عرفت أيضا بالطريق اللبني، وهي ظاهرة كانت معروفة لشعوب العالم الإسلامي وعلماء الفلك المسلمين حق المعرفة. ويبدو أن تشبيه هذه المجرة بانتشار اللبن تشبيه ذو أصل إغريقي. ويسمي المسلمون الطريق اللبني أيضا باسم درب التبانة. ولفظ المجرة مشتق من الفعل ' ج ر ر ' فيما يذهب إليه مؤلفو المعاجم العربية، ويوجد أحيانا التباس في بعض النصوص العربية بين الطريق اللبني أو المجرة وكلمة: مجمرة وهو اسم يوناني لإحدى المجموعات النجمية. وجاء الالتباس نفسه في نص عربي لمحمد المقرئ بعنوان: منازل القمر عند العرب .
وقد عرف الطريق اللبني للعرب في العصور القديمة. وفي النصوص اللغوية وصف لعديد من النجوم الثابتة المرتبطة بالطريق اللبني، وقد قدم الدينوري وصفا لمجرى الطريق اللبني في السماء كما رآه العرب في عصور الجاهلية، وفيما بعدُ رصدها علماء الفلك المسلمون، وذكروا أن موقع الطريق اللبني في السماء يتغير مع الفصول المختلفة تبعا للدورة الثانوية في السماء، ثم وصفها بعد ذلك ملاح المحيط الهندي المشهور ابن ماجد اعتمادا على خبرته الشخصية عام 896هـ /1490 م. وذكر ابن قتيبة و القزويني وابن ماجد أن بعض العرب قديما قد فهموا الطريق اللبني كتجمع كثيف من نجوم خافتة ترى لعين الراصد كتلة سديمية وهي النظرية التي نشأت من أرصاد عربية قديمة منفصلة غير متأثرة بالمعلومات الفلكية الإغريقية.
وقد وصف بطليموس الإغريقي الطريق اللبني لأول مرة وصفا علميا فلكيا في كتابه المجسطي، وهو الوصف الذي أصبح معروفا لدى علماء الفلك المسلمين من خلال سلسلة من الترجمات من نهاية القرن الثاني الهجري / الثامن الميلادي إلى نهاية القرن الثالث الهجري / التاسع الميلادي، إلا أن وصف الدينوري يبدو غير متأثر بكتاب المجسطي فقد استخدم في وصف الطريق اللبني عناصر وصفية من أصل عربي خالص، وكذلك بدأ وصفه بالدائرة البروجية وانتهى بكوكبة العقرب قريبا من دائرة البروج، في حين أن بطليموس بدأ الوصف وانتهى به عند مجموعة قنطورس في منطقة أقصى جنوب السماء التي كانت مرئية له، وهو يعمل في مكتبة الإسكندرية .
وقد اقتنع بعض العلماء المسلمين بنظريات الطريق اللبني الكونية عند الفلاسفة الإغريق من ترجمات وشروح. وتعد استنتاجات ابن الهيثم و البيروني من أهم الدراسات حول الطريق اللبني حيث خالفوا نظريات الفلاسفة الإغريق. فابن الهيثم هو الذي توصل إلى أن الطريق اللبني لا يكون جزءا من الهواء، ولكنه يجب أن يكون أبعد في الفراغ. أما البيروني فعلى العكس من تعاليم أرسطو يرى أن المجرة لها نفس ارتفاع النجوم الثوابت لأن القمر والكواكب لا تتأثر بها حينما تمر أمامها.

الكسوف

هو إخفاء جرم سماوي لجرم آخر خاصة الشمس أو قمر تابع لكوكب. ويوجد نوعان من الكسوف يصيبان الأرض : كسوف القمر وكسوف الشمس، ويحدث الكسوف القمري عندما تكون الأرض بين الشمس والقمر ويعتم ظلها القمر. أما الكسوف الشمسي فيحدث عندما يكون القمر بين الشمس والأرض ويتحرك ظله فوق وجه الأرض، وهناك ظواهر فلكية مشابهة مثل العبور والاحتجاب ولكنها غير مثيرة مثل الكسوف لصغر حجم الأجرام المتداخلة عند مشاهدتها من الأرض.
ويرجع تاريخ أول تسجيل علمي للكسوف إلى القرن الرابع الهجري / العاشر الميلادي عندما سجل البيروني أول تصور للكسوفين القمري والشمسي في كتابه تحقيق ما للهند ردا على مزاعم وخرافات علماء الهند الذين قالوا عن التنين الذي يأكل قرص القمر فذكر: 'إن كسوف القمر أي خسوفه، إن هو إلا دخوله في الظل، وكسوف الشمس إن هو إلا ستر القمر للشمس عنا ، ولهذا لا يكون بدو الكسوف في القمر من جانب المغرب، ولا في الشمس من جانب المشرق، وقد يمتد من الأرض ظل مستطيل كامتداد ظل الشجرة مثلا، فإذا قل عرض القمر وهو في البرج السابع من الشمس ولم يكثر مقداره في شمال أو في جنوب فإن القمر يأتيها من جهة المغرب فيسترها ستر قطعة السحاب، ويختلف مقدار الستر في البقاع، ولأن ساتر القمر عظيم فإن ضوءه يضمحل عند انكساف نصفه، وساتر الشمس ليس بعظيم ولذلك يكون قوي الشعاع مع الكسوف'.
وعلميا يحدث الكسوف القمري نتيجة لإضاءة الشمس للأرض، فتعكس الأرض ظلا طويلا مخروطي الشكل. وعند أية نقطة في هذا المخروط، يعتم ضوء الشمس تماما. ويحيط بهذا الظل المخروطي منطقة بها ظل جزئي يسمى الظل الناقص. ويبلغ متوسط طول الظل (1.379.200) كم تقريبا في مسافة تبلغ (384.600) كم وهي متوسط مسافة القمر من الأرض، كما يبلغ قطر الظل حوالي (9.170) كم.

ويحدث كسوف كلي للقمر عندما يعبر القمر بأكمله منطقة الظل هذه، وإذا تحرك مباشرة إلى مركزها، فإنه يعتم لمدة ساعتين تقريبا. وإذا لم يمر عبر هذا المركز، ستكون مدة الإعتام الكلية أقل وقد تستمر للحظة إذا تحرك القمر خلال حافة منطقة الظل.
كما يحدث كسوف جزئي للقمر عندما يدخل جزء من القمر فقط منطقة الظل ثم يتعرض للإعتام. ويتراوح مدى الكسوف الجزئي من الكسوف الكامل تقريبا حيث تعتم معظم أجزاء القمر والكسوف الضئيل أو البسيط حيث يرى جزء صغير من ظل الأرض على القمر الذي يمر. ومن الناحية التاريخية، فإن مشهد الظل الدائري للأرض وهو يتقدم باتجاه وجه القمر كان أول إشارة تنبئ بشكل الأرض.
وقبل أن يدخل القمر منطقة الظل في حالة الكسوف الكلي أو الجزئي، فإنه يكون في منطقة الظل الناقص ويصبح سطحه أكثر إعتاما بصورة واضحة، ويبدو الجزء الذي دخل منطقة الظل وهو أسود تقريبا، ولكن أثناء الكسوف الكلي لا يكون قرص القمر معتما تماما حيث يكون مضيئا إضاءة خافتة بضوء أحمر يعكسه الغلاف الجوي للأرض الذي ينقي الأشعة الزرقاء المنبعثة من ضوء الشمس. وأحيانا يحدث كسوف قمري عندما تغطي الأرض طبقة سميكة من السحب تمنع انكسار الضوء ، حيث لا يمكن رؤية سطح القمر أثناء الكسوف الكلي.
أما كسوف الشمس فيتراوح طول منطقة الظل الخاص بالقمر بين (367.000) و(379.800) كم. بينما تتراوح المسافة بين الأرض والقمر من (357.300) حتى (407.100) كم. ويحدث الكسوف الشمسي الكامل عندما تصل منطقة الظل الخاصة بالقمر إلى الأرض. ولا يتعدى قطر منطقة الظل أكثر من (268.7) كم بحال من الأحوال حيث تلامس سطح الأرض بحيث لا تكون المنطقة التي يشاهد فيها الكسوف الشمسي الكلي أوسع من هذا بل وقد تكون أضيق بصورة ملحوظة. ويبلغ عرض منطقة الظل الناقص أو منطقة الكسوف الجزئي على سطح الأرض حوالي (4.800) كم وفي أوقات معينة، عندما يمر القمر بين الأرض والشمس فإن ظله لا يصل للأرض، وفي مثل هذه الأوقات، يحدث كسوف حلقي حيث تظهر حلقة مضيئة من قرص الشمس حول قرص القمر الأسود.
ويتحرك ظل القمر فوق سطح الأرض في اتجاه الشرق. وحيث أن الأرض تدور باتجاه الشرق أيضا، تكون سرعة ظل القمر فوق الأرض مساوية لسرعة القمر وهو يسير في مداره مع طرح سرعة دوران الأرض، وتبلغ سرعة الظل عند خط الاستواء حوالي (1.706) كم / ساعة، أما بالقرب من القطبين حيث تكون سرعة الدوران صفرا، تبلغ سرعة الظل حوالي (3.380) كم / ساعة. ويمكن حساب مسار الكسوف الشمسي الكلي والزمن الذي يستغرقه من حجم ظل القمر ومن سرعته. وتبلغ أقصى مدة يستغرقها الكسوف الشمسي الكامل حوالي (7.59) د قيقة ولكن مثل هذا الكسوف نادر حيث يحدث مرة كل عدة آلاف من السنوات. وعادة يظهر الكسوف الكلي لحوالي 3 دقائق من نقطة في مركز مسار الكسوف الكلي.
وفي المناطق التي تقع خارج الحزام والتي تعتبر منطقة ظل القمر امتدادا لها ولكنها تقع داخل الظل الناقص، تكون الشمس معتمة جزئيا ويحدث كسوف جزئي.
وفي بداية الكسوف الكلي، يبدأ القمر في التحرك عبر قرص الشمس قبل ساعة تقريبا من الوصول إلى مرحلة الكسوف الكلي، ويقل الضوء المنبعث من الشمس بالتدريج وأثناء مرحلة الكسوف الكلي (أو بالقرب منها)، فإنها تقل حتى تصل إلى ضوء يشبه ضوء القمر اللامع. وينتج هذا الضوء المتبقي من جراء هالة الشمس وهي الجزء الخارجي من الغلاف الجوي للشمس. وعندما يتقلص سطح الشمس حتى يصبح هلالا رفيعا، يمكن مشاهدة هذه الهالة. وقبل أن يصبح الكسوف كليا، تومض نقاط ضوء لامعة تسمى فقاعات بيلي على شكل هلالي. وتنتج هذه النقاط من جراء سطوع الشمس على وديان وأماكن غير مستوية على سطح القمر. ويمكن مشاهدة فقاعات بيلي عند انتهاء مرحلة الكسوف الكلي. وقبل مرحلة الكسوف الكلي مباشرة أو بعدها أو أثنائها، يمكن مشاهدة نطاقات ضيقة من الظلال المتحركة على أشياء موجودة على سطح الأرض.

رصد الكسوف
يعد الرصد العلمي للكسوف الشمسي أمرا ذا قيمة كبيرة وخصوصا عندما يمر مسار الكسوف على مناطق أرضية شاسعة، ويمكن لشبكة من المراصد الخاصة أن توفر بيانات كافية لإجراء تحليلات قد يقوم بها العلماء في شهور. وقد تحتوي هذه البيانات على معلومات عن كيفية تأثير التغييرات الدقيقة في الشمس على طقس الأرض وكيف يمكن للعلماء تطوير توقعاتهم للانفجارات الشمسية، وهناك الكثير من المسائل الفلكية التي يمكن دراستها أثناء الكسوف الكلي للشمس، من بينها حجم وتكوين الهالة الشمسية وانحناء الأشعة الضوئية التي تمر بالقرب من الشمس بسبب مجال جاذبية الشمس.