Raziščite zakone gibanja Johannesa Keplerja

Planeti in kometi sončnega sistema sledijo rahlo eliptičnim orbitam okoli Sonca. Lune in drugi sateliti počnejo enako okoli svojih planetov. Ta diagram prikazuje oblike orbit, čeprav ni v merilu. NASA

Vse v vesolju je v gibanju. Lune krožijo okoli planetov, ti pa okrog zvezd. Galaksije imajo na milijone in milijone zvezd, ki krožijo znotraj njih, na zelo velikih lestvicah pa galaksije krožijo v velikanskih jatah. Na lestvici sončnega sistema opazimo, da je večina orbit večinoma eliptičnih (nekakšen sploščen krog). Objekti, ki so bližje svojim zvezdam in planetom, krožijo hitreje, medtem ko imajo bolj oddaljeni daljše orbite.

Opazovalci neba so potrebovali veliko časa, da so ugotovili ta gibanja, zanje pa vemo po zaslugi dela renesančnega genija po imenu Johannes Kepler (ki je živel od 1571 do 1630). Gledal je v nebo z veliko radovednostjo in gorečo potrebo, da bi razložil gibanje planetov, ko se je zdelo, da tavajo po nebu.

Kdo je bil Kepler?

Kepler je bil nemški astronom in matematik, čigar ideje so temeljito spremenile naše razumevanje gibanja planetov. Njegovo najbolj znano delo izhaja iz njegove zaposlitve pri danskem astronomu Tycho Brahe (1546-1601). Leta 1599 se je naselil v Pragi (takrat je bil dvor nemškega cesarja Rudolfa) in postal dvorni astronom. Tam je najel Keplerja, ki je bil matematični genij, da je izvedel njegove izračune.

Kepler je študiral astronomijo veliko preden je srečal Tycha; bil je naklonjen kopernikanskemu pogledu na svet, ki pravi, da planeti krožijo okoli Sonca. Kepler si je tudi dopisoval z Galilejem o svojih opažanjih in sklepih.

Sčasoma je Kepler na podlagi svojega dela napisal več del o astronomiji, vključno z Nova astronomija , Harmoniki sveta , in Utelešenje kopernikanske astronomije . Njegova opazovanja in izračuni so navdihnili poznejše generacije astronomov, da so gradili na njegovih teorijah. Ukvarjal se je tudi s problemi v optiki, predvsem pa je izumil boljšo različico refrakcijskega teleskopa. Kepler je bil globoko veren človek in je nekaj časa v življenju verjel tudi v nekatera načela astrologije.

Keplerjeva naporna naloga

Keplerju je Tycho Brahe dodelil nalogo, da analizira Tychoova opazovanja planeta Mars. Ta opazovanja so vključevala nekaj zelo natančnih meritev položaja planeta, ki se niso strinjale niti s Ptolemejevimi meritvami niti s Kopernikovimi ugotovitvami. Od vseh planetov je imel predvideni položaj Marsa največje napake in je zato predstavljal največji problem. Tychovi podatki so bili najboljši na voljo pred izumom teleskopa. Medtem ko je Keplerju plačeval za njegovo pomoč, je Brahe svoje podatke ljubosumno varoval in Kepler se je pogosto trudil dobiti številke, ki jih je potreboval za opravljanje svojega dela.

Natančni podatki

Ko je Tycho umrl, je Keplerju uspelo pridobiti Brahejeve opazovalne podatke in poskušal ugotoviti, kaj pomenijo. Leta 1609, istega leta ko Galileo Galilei Ko je Kepler prvič obrnil svoj teleskop proti nebu, je zagledal tisto, za kar je mislil, da bi lahko bil odgovor. Natančnost Tychoovih opazovanj je bila dovolj dobra, da je Kepler pokazal, da bi Marsova orbita natančno ustrezala obliki elipse (podolgovate, skoraj jajčaste oblike kroga).

Oblika poti

Zaradi njegovega odkritja je Johannes Kepler prvi razumel, da se planeti v našem sončnem sistemu gibljejo po elipsah in ne po krogih. Nadaljeval je svoje raziskave in končno razvil tri principe gibanja planetov. Ti so postali znani kot Keplerjevi zakoni in so revolucionirali planetarno astronomijo. Mnogo let po Keplerju, Sir Isaac Newton dokazal, da so vsi trije Keplerjevi zakoni neposredni rezultat gravitacijskih in fizikalnih zakonov, ki urejajo sile, ki delujejo med različnimi masivnimi telesi. Torej, kaj so Keplerjevi zakoni? Tukaj je kratek pogled nanje z uporabo terminologije, ki jo znanstveniki uporabljajo za opisovanje orbitalnih gibanj.

Keplerjev prvi zakon

Keplerjev prvi zakon pravi, da se 'vsi planeti gibljejo po eliptičnih orbitah s Sonce v enem žarišču, drugo žarišče pa je prazno.' To velja tudi za komete, ki krožijo okoli Sonca. Če uporabimo zemeljske satelite, središče Zemlje postane eno žarišče, drugo žarišče pa prazno.

Keplerjev drugi zakon

Keplerjev drugi zakon se imenuje zakon površin. Ta zakon pravi, da 'črta, ki povezuje planet s Soncem, preleti enaka območja v enakih časovnih intervalih.' Da bi razumeli zakon, pomislite, kdaj kroži satelit. Namišljena črta, ki jo povezuje z Zemljo, preleti enaka območja v enakih časovnih obdobjih. Odseka AB in CD se pokrivata v enakem času. Zato se hitrost satelita spreminja glede na njegovo oddaljenost od središča Zemlje. Hitrost je največja na točki orbite, ki je najbližje Zemlji, imenovani perigej, in je najpočasnejša na točki, najbolj oddaljeni od Zemlje, imenovani apogej. Pomembno je omeniti, da orbita, ki ji sledi satelit, ni odvisna od njegove mase.

Keplerjev tretji zakon

Tretji Keplerjev zakon se imenuje zakon period. Ta zakon povezuje čas, potreben, da planet opravi eno popolno pot okoli Sonca, z njegovo srednjo razdaljo od Sonca. Zakon pravi, da je 'za kateri koli planet kvadrat njegove revolucijske dobe neposredno sorazmeren s kubom njegove srednje oddaljenosti od Sonca.' Keplerjev 3. zakon, ki se uporablja za zemeljske satelite, pojasnjuje, da dlje kot je satelit od Zemlje, dlje bo trajalo, da zaključi orbito, večjo razdaljo bo prepotoval, da zaključi orbito, in počasnejša bo njegova povprečna hitrost. Drugi način razmišljanja o tem je, da se satelit premika najhitreje, ko je najbližje Zemlji, in počasneje, ko je dlje.

UredilCarolyn Collins Petersen.