Все во вселенной движется. Луны вращаются вокруг планет, а те, в свою очередь, вращаются вокруг звезд. Внутри галактик вращаются миллионы и миллионы звезд, а в очень больших масштабах галактики вращаются в гигантских скоплениях. В масштабе Солнечной системы мы замечаем, что большинство орбит в основном эллиптические (что-то вроде сплющенного круга). Объекты, расположенные ближе к их звездам и планетам, имеют более быстрые орбиты, а более удаленные – более длинные.
Наблюдателям за небом потребовалось много времени, чтобы вычислить эти движения, и мы знаем о них благодаря работа гения эпохи Возрождения по имени Иоганн Кеплер (живший с 1571 по 1630 год). Он смотрел на небо с большим любопытством и острой необходимостью объяснить движения планет, которые, казалось, блуждают по небу.
Кем был Кеплер?
Кеплер был немецким астрономом и математиком, идеи которого коренным образом изменили наше понимание движения планет. Его самая известная работа связана с работой датского астронома Тихо Браге (1546–1601). Он поселился в Праге в 1599 году (тогда здесь находился двор германского императора Рудольфа) и стал придворным астрономом. Там он нанял Кеплера, который был математическим гением, для выполнения своих расчетов.
Кеплер изучал астрономию задолго до того, как встретил Тихо; он поддерживал мировоззрение Коперника, согласно которому планеты вращаются вокруг Солнца. Кеплер также переписывался с Галилеем о своих наблюдениях и выводах.
В конце концов, на основе своей работы Кеплер написал несколько работ по астрономии, в том числе Astronomia Nova , Harmonices Mundi и Воплощение коперниканской астрономии . Его наблюдения и расчеты вдохновили последующие поколения астрономов основывать его теории. Он также работал над проблемами оптики и, в частности, изобрел лучшую версию преломляющего телескопа. Кеплер был глубоко религиозным человеком, а также в течение некоторого периода своей жизни верил в некоторые принципы астрологии.
Трудоемкая задача Кеплера
Тихо Браге поручил Кеплеру анализировать наблюдения, сделанные Тихо над планетой Марс. Эти наблюдения включали в себя некоторые очень точные измерения положения планеты, которые не согласовывались ни с измерениями Птолемея, ни с выводами Коперника. Из всех планет предсказанное положение Марса имело самые большие ошибки и, следовательно, представляло наибольшую проблему. Данные Тихо были лучшими из доступных до изобретения телескопа. Платя Кеплеру за его помощь, Браге ревниво охранял свои данные, и Кеплер часто изо всех сил пытался получить цифры, необходимые для работы.
Точные данные
Когда Тихо умер, Кеплер смог получить данные наблюдений Браге и попытался понять, что они имели в виду.. В 1609 году, в том же году, когда Галилео Галилей впервые направил свой телескоп к небу, Кеплер мельком увидел то, что, по его мнению, могло быть ответом. Точность наблюдений Тихо была достаточно хорошей, чтобы Кеплер показал, что орбита Марса точно соответствует форме эллипса (удлиненной, почти яйцевидной формы круга).
Форма пути
Его открытие сделало Иоганна Кеплера первым, кто понял, что планеты в нашей солнечной системе движутся по эллипсу, а не по кругу. Он продолжил свои исследования, в конце концов разработав три принципа движения планет. Они стали известны как законы Кеплера и произвели революцию в планетарной астрономии. Спустя много лет после Кеплера сэр Исаак Ньютон доказал, что все три закона Кеплера являются прямым результатом законов гравитации и физики, которые управляют силами, действующими между различными массивными телами. Итак, что такое законы Кеплера? Вот краткий обзор их, используя терминологию, которую ученые используют для описания орбитального движения.
Первый закон Кеплера
Первый закон Кеплера гласит, что «все планеты движутся по эллиптическим орбитам, причем Солнце находится в одном фокусе, а другой – пустой». Это также верно и для комет, вращающихся вокруг Солнца. Применительно к спутникам Земли центр Земли становится одним фокусом, а другой – пустым.
Второй закон Кеплера
Второй закон Кеплера называется законом площадей. Этот закон гласит, что «линия, соединяющая планету с Солнцем, проходит через равные участки через равные промежутки времени». Чтобы понять закон, подумайте о том, когда спутник движется по орбите. Воображаемая линия, соединяющая ее с Землей, проходит через равные области за равные промежутки времени. Сегменты AB и CD покрывают одинаковое время. Следовательно, скорость спутника меняется в зависимости от его удаленности от центра Земли. Скорость наибольшая в точке орбиты, наиболее близкой к Земле, называемой перигеем, и наименьшая в точке, наиболее удаленной от Земли, называемой апогеем. Важно отметить, что орбита, по которой движется спутник, не зависит от его массы.
Третий закон Кеплера
3-й закон Кеплера называется законом периодов. Этот закон связывает время, необходимое планете, чтобы совершить один полный оборот вокруг Солнца, со своим средним расстоянием от Солнца. Закон гласит, что «для любой планеты квадрат периода ее обращения прямо пропорционален кубу ее среднего расстояния от Солнца». Применительно к спутникам Земли 3-й закон Кеплера объясняет, что чем дальше спутник находится от Земли, тем больше времени потребуется для завершения орбиты, тем большее расстояние он пройдет, чтобы завершить орбиту, и тем медленнее будет его средняя скорость.. Другой способ думать об этом: спутник движется быстрее всего, когда он находится ближе всего к Земле, и медленнее, когда он находится дальше.
Под редакцией Кэролайн Коллинз Петерсен.