Υλικό των Νόμων του Κέπλερ
Θυμάστε την πρώτη φορά που μπήκατε σε αυτοκίνητο (όχι όταν ήσασταν μωρό); Όταν ήσασταν σε ένα κινούμενο αυτοκίνητο, βλέπατε σαν τα δέντρα ή τα κτίρια να κινούνται. Εκείνη την εποχή, μπορεί να νομίζατε ότι τα δέντρα ή τα κτίρια κινούνταν, ενώ εσείς και το αυτοκίνητο ήσασταν ακίνητοι. Στην πραγματικότητα, εσείς και το αυτοκίνητο κινούμασταν, ενώ τα δέντρα ή τα κτίρια ήταν ακίνητα. Στην πραγματικότητα βιώνουμε αυτή τη φαινομενική κίνηση ή ψευδή κίνηση κάθε μέρα. Κάθε πρωί ο ήλιος «ανατέλλει» στον ανατολικό ορίζοντα, μετά κινείται δυτικά και «δύει» στον δυτικό ορίζοντα το απόγευμα. Ομοίως, τη νύχτα, συχνά βλέπετε το φεγγάρι να κινείται από ανατολικά προς δυτικά. Έχετε σκεφτεί ή υποψιαστεί ποτέ ότι ο ήλιος και το φεγγάρι κινούνται γύρω από τη γη, ενώ η γη είναι ακίνητη;
Οι αρχαίοι άνθρωποι (αρχές μ.Χ.) πίστευαν επίσης ότι ο ήλιος, η σελήνη και άλλα ουράνια σώματα περιστρέφονταν γύρω από τη Γη, ενώ η Γη παρέμενε ακίνητη. Με άλλα λόγια, η Γη θεωρούνταν το κέντρο του σύμπαντος (γεωκεντρική). Αυτή η υπόθεση βασιζόταν στην περιορισμένη ανθρώπινη αισθητηριακή εμπειρία, η οποία παρατηρούσε καθημερινά τον ήλιο, τη σελήνη και τα αστέρια να κινούνται, ενώ η Γη γινόταν αντιληπτή ως ακίνητη. Είναι παρόμοιο με το να βρίσκεστε σε ένα κινούμενο αυτοκίνητο, βλέποντας σαν να κινούνται τα δέντρα ή τα κτίρια. Αυτή η ιδέα ότι η Γη είναι το κέντρο του σύμπαντος ερευνήθηκε και αναπτύχθηκε από τον Έλληνα αστρονόμο Κλαύδιο Πτολεμαίο (100-170 μ.Χ.) τον δεύτερο αιώνα μ.Χ. και διατηρήθηκε για τα επόμενα 1400 χρόνια.
Σύμφωνα με τον Πτολεμαίο, η Γη βρίσκεται στο κέντρο του ηλιακού συστήματος. Ο Ήλιος και οι πλανήτες περιστρέφονται σε κύκλο (περιστροφή), με το κέντρο αυτού του κύκλου να περιστρέφεται γύρω από τη Γη σε κυκλική τροχιά (περιστροφή).
Το 1543, ο Πολωνός αστρονόμος Νικόλαος Κοπέρνικος (1473–1543) πρότεινε το ηλιοκεντρικό μοντέλο, στο οποίο ο ήλιος βρίσκεται στο κέντρο του ηλιακού συστήματος. Οι πλανήτες, συμπεριλαμβανομένης της Γης, περιστρέφονται γύρω από έναν κύκλο (περιστροφή), με το κέντρο αυτού του κύκλου να περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο σε μια κυκλική τροχιά (περιστροφή). Ο Κοπέρνικος είχε πιο προηγμένη κατανόηση από τον Πτολεμαίο, τοποθετώντας τον ήλιο στο κέντρο του ηλιακού συστήματος. Ωστόσο, ο Κοπέρνικος εξακολουθούσε να χρησιμοποιεί κύκλους ως μοντέλο για τις πλανητικές τροχιές.
Ένας διάσημος Δανός αστρονόμος ονόματι Τύχο Μπράχε (1546 – 1601) ήταν ο τελευταίος αστρονόμος που παρατήρησε ουράνια αντικείμενα χρησιμοποιώντας μόνο το μάτι. Αφού έκανε παρατηρήσεις από το 1576 έως το 1599, ο Τύχο Μπράχε συνεργάστηκε στη συνέχεια με έναν Γερμανό αστρονόμο, τον Γιοχάνες Κέπλερ (1571 – 1630), ο οποίος ήταν επίσης μαθηματικός. Ο Κέπλερ ήταν βοηθός του Τύχο Μπράχε. Η συνεργασία μεταξύ του Τύχο Μπράχε και του Κέπλερ δεν κράτησε πολύ, επειδή πέθανε ο Τύχο Μπράχε. Μετά τον θάνατο του Τύχο Μπράχε, ο Κέπλερ χρησιμοποίησε τα αστρονομικά δεδομένα που έλαβε ο δάσκαλός του και αφιέρωσε περίπου είκοσι χρόνια της ζωής του δημιουργώντας ένα μαθηματικό μοντέλο για να εξηγήσει την κίνηση των πλανητών.
Το πρώτο έργο του Κέπλερ στην αστρονομία, «Τα Μυστήρια του Σύμπαντος», δημοσιεύτηκε το 1596. Σε αυτό, προσπάθησε να βρει μια αρμονία μεταξύ των πλανητικών τροχιών του Κοπέρνικου και των παρατηρήσεων του Τύχο Μπράχε. Ωστόσο, ο Κέπλερ απέτυχε να βρει μια αρμονία μεταξύ των μοντέλων που ανέπτυξαν ο Κοπέρνικος και ο Πτολεμαίος και των παρατηρήσεων του Τύχο Μπράχε. Ως εκ τούτου, εγκατέλειψε τα Πτολεμαϊκά και Κοπέρνικα μοντέλα και προσπάθησε να βρει ένα νέο μοντέλο. Το 1609, ο Κέπλερ ανακάλυψε ότι η έλλειψη ταίριαζε απόλυτα με τις παρατηρήσεις του Τύχο Μπράχε. Ο Κέπλερ δεν χρησιμοποιούσε πλέον κύκλους ως σχήμα των τροχιών των ουράνιων σωμάτων, αλλά μάλλον ελλείψεις.
Αυτός ο νόμος διατυπώθηκε από τον Κέπλερ μισό αιώνα πριν ο Ισαάκ Νεύτωνας διατυπώσει τους τρεις νόμους του για την κίνηση και τον παγκόσμιο νόμο της βαρύτητας.
Πρώτος Νόμος του Κέπλερ
Η τροχιά κάθε πλανήτη καθώς περιστρέφεται γύρω από τον ήλιοi, ελλειπτικό σχήμα, όπου ο ήλιος βρίσκεται σε μία από τις εστίες.
Δεύτερος Νόμος του Κέπλερ
Μια νοητή γραμμή που συνδέει τον ήλιο με έναν πλανήτη διαγράφει ίσες επιφάνειες σε ίσα χρονικά διαστήματα.
Ο Τρίτος Νόμος του Κέπλερ
Ο λόγος του τετραγώνου της περιόδου προς τον κύβο της μέσης απόστασης του πλανήτη από τον ήλιο (T2/r3) είναι σταθερό και η τιμή του είναι η ίδια για όλους τους πλανήτες.
