Utforsk Johannes Keplers bevegelseslover

Planetene og kometene i solsystemet følger lett elliptiske baner rundt solen. Måner og andre satellitter gjør det samme rundt planetene sine. Dette diagrammet viser banenes former, selv om det ikke er i skala. NASA

Alt i universet er i bevegelse. Måner går i bane rundt planeter, som igjen går i bane rundt stjerner. Galakser har millioner og millioner av stjerner som kretser rundt i seg, og på tvers av veldig store skalaer går galakser i bane i gigantiske klynger. På en solsystemskala legger vi merke til at de fleste baner stort sett er elliptiske (en slags flatere sirkel). Objekter nærmere stjernene og planetene har raskere baner, mens fjernere har lengre baner.

Det tok lang tid for himmelobservatører å finne ut av disse bevegelsene, og vi vet om dem takket være arbeidet til et renessansegeni ved navn Johannes Kepler (som levde fra 1571 til 1630). Han så på himmelen med stor nysgjerrighet og et brennende behov for å forklare bevegelsene til planetene mens de så ut til å vandre over himmelen.

Hvem var Kepler?

Kepler var en tysk astronom og matematiker hvis ideer fundamentalt endret vår forståelse av planetarisk bevegelse. Hans mest kjente arbeid stammer fra hans ansettelse hos dansk astronom Tycho Brahe (1546-1601). Han slo seg ned i Praha i 1599 (den gang stedet for hoffet til den tyske keiseren Rudolf) og ble hoffastronom. Der hyret han inn Kepler, som var et matematisk geni, for å utføre sine beregninger.

Kepler hadde studert astronomi lenge før han møtte Tycho; han favoriserte det kopernikanske verdensbildet som sa at planetene gikk i bane rundt solen. Kepler korresponderte også med Galileo om hans observasjoner og konklusjoner.

Etter hvert, basert på sitt arbeid, skrev Kepler flere arbeider om astronomi, inkludert Ny astronomi , Verdens harmonikk , og Et symbol på kopernikansk astronomi . Observasjonene og beregningene hans inspirerte senere generasjoner av astronomer til å bygge videre på teoriene hans. Han jobbet også med problemer innen optikk, og spesielt oppfant han en bedre versjon av det brytende teleskopet. Kepler var en dypt religiøs mann og trodde også på noen grunnsetninger innen astrologi en periode i løpet av livet.

Keplers arbeidskrevende oppgave

Kepler ble tildelt av Tycho Brahe jobben med å analysere observasjonene som Tycho hadde gjort av planeten Mars. Disse observasjonene inkluderte noen svært nøyaktige målinger av planetens posisjon som ikke stemte med verken Ptolemaios sine målinger eller Copernicus sine funn. Av alle planetene hadde den forutsagte posisjonen til Mars de største feilene og utgjorde derfor det største problemet. Tychos data var de beste tilgjengelige før oppfinnelsen av teleskopet. Mens han betalte Kepler for hjelpen hans, voktet Brahe sjalu på dataene hans, og Kepler slet ofte med å få tallene han trengte for å gjøre jobben sin.

Nøyaktige data

Da Tycho døde, var Kepler i stand til å skaffe Brahes observasjonsdata og forsøkte å pusle ut hva de mente. I 1609, samme år som Galileo Galilei først snudde teleskopet mot himmelen, fikk Kepler et glimt av det han trodde kunne være svaret. Nøyaktigheten av Tychos observasjoner var god nok til at Kepler kunne vise at Mars' bane nøyaktig ville passe til formen til en ellipse (en langstrakt, nesten eggformet form av sirkelen).

Stiens form

Oppdagelsen hans gjorde Johannes Kepler til den første som forsto at planetene i solsystemet vårt beveget seg i ellipser, ikke sirkler. Han fortsatte sine undersøkelser, og utviklet til slutt tre prinsipper for planetarisk bevegelse. Disse ble kjent som Keplers lover og de revolusjonerte planetarisk astronomi. Mange år etter Kepler, Sir Isaac Newton bevist at alle tre av Keplers lover er et direkte resultat av gravitasjonslovene og fysikken som styrer kreftene som virker mellom ulike massive kropper. Så, hva er Keplers lover? Her er en rask titt på dem, ved å bruke terminologien som forskere bruker for å beskrive orbitale bevegelser.

Keplers første lov

Keplers første lov sier at 'alle planeter beveger seg i elliptiske baner med solen i ett fokus og det andre fokuset tomt.' Dette gjelder også for kometer som går i bane rundt solen. Brukt på jordsatellitter, blir jordens sentrum ett fokus, med det andre fokus tomt.

Keplers andre lov

Keplers andre lov kalles områdenes lov. Denne loven sier at 'linjen som forbinder planeten med solen sveiper over like områder i like tidsintervaller.' For å forstå loven, tenk på når en satellitt går i bane. En tenkt linje som forbinder den med Jorden sveiper over like områder i like perioder. Segmentene AB og CD tar like lang tid å dekke. Derfor endres hastigheten til satellitten, avhengig av avstanden fra jordens sentrum. Hastigheten er størst på punktet i banen nærmest jorden, kalt perigeum, og er tregest på punktet lengst fra jorden, kalt apogee. Det er viktig å merke seg at banen etterfulgt av en satellitt ikke er avhengig av massen.

Keplers tredje lov

Keplers 3. lov kalles periodens lov. Denne loven relaterer tiden det tar for en planet å foreta en hel tur rundt solen til dens gjennomsnittlige avstand fra solen. Loven sier at 'for enhver planet er kvadratet på dens revolusjonsperiode direkte proporsjonalt med kuben av dens gjennomsnittlige avstand fra Solen.' Brukt på jordsatellitter, forklarer Keplers tredje lov at jo lenger en satellitt er fra jorden, jo lengre tid vil det ta å fullføre en bane, desto større avstand vil den reise for å fullføre en bane, og jo lavere vil gjennomsnittshastigheten være. En annen måte å tenke på dette er at satellitten beveger seg raskest når den er nærmest jorden og langsommere når den er lenger unna.

Redigert avCarolyn Collins Petersen.