Кто открыл законы движения планет вокруг солнца
Кто открыл законы движения планет?
«Законы Кеплера» – это словосочетание знакомо всем, кто увлекается астрономией. Кто же этот человек? Связь и взаимозависимость какой объективной действительности он описал? Астроном, математик, богослов, философ, умнейший человек своего времени Иоганн Кеплер (1571-1630) открыл законы движения планет солнечной системы.
Начало пути
Иоганн Кеплер, уроженец города Вайль дер Штадт (Германия), пришел в этот мир в декабре 1571 года. Слабенький, с плохим зрением ребенок преодолел все, чтобы победить в этой жизни. Учеба мальчика началась в Леонберге, куда переселилась семья. Позже он перешел в заведение повышенного типа – латинскую школу, чтобы изучить основы языка, который намеревался использовать в будущих публикациях.
В 1589 году окончил школу при монастыре Маульбронн в местечке Adelburg. В 1591 году поступил в университет в Тюбингене. Эффективная образовательная система была создана герцогами на волне введения лютеранства. С помощью грантов и стипендий для бедных власти пытались обеспечить университеты абитуриентами, из которых можно было воспитать хорошо образованных священнослужителей, способных защищать новую веру во времена бушующих религиозных споров.
В период пребывания в учебном заведении Кеплер попал под влияние профессора астрономии Михаэля Мёстлина. Последний тайно разделял взгляды Коперника касательно идеи гелиоцентрической (Солнце в центре) Вселенной, хотя обучал студентов «по Птолемею» (Земля в центре). Глубокое знание идей польского ученого вызвало у Кеплера большой интерес к астрономии. Так у теории Коперника появился еще один сторонник, стремившийся лично постичь законы движения планет вокруг Солнца.
Как ни странно, тот, кто впоследствии открыл законы движения планет, не относил себя к астрономам по призванию. На протяжении всей жизни Кеплер считал, что Солнечная система – произведение искусства, переполненное мистическими явлениями, мечтал стать священником. Свой интерес к теории Коперника астроном объяснял тем, что прежде чем делать выводы из собственных исследований, он должен изучить разные мнения.
Тем не менее преподаватели университета говорили о Кеплере, как о студенте, обладающем превосходным умом. В 1591 году, получив степень магистра, ученый продолжил свои исследования в области теологии. Когда они были близки к завершению, стало известно, что в лютеранской школе в Граце умер профессор математики. Тюбингенский университет рекомендовал взять на эту должность талантливого во всех отношениях выпускника. Так что же, прощайте законы движения планет?
Во имя Бога
22-летний Иоганн неохотно отказался от своего первоначального призвания быть священником, но все-таки приступил к обязанностям преподавателя математики в Граце. Во время чтения лекций в своем классе начинающий учитель изображал на доске некие геометрические фигуры с участием концентрических кругов и треугольников. И вдруг его озарила мысль, что подобные фигуры отображают определенное фиксированное соотношение между размерами двух окружностей, при условии, что треугольник равносторонний. А какое соотношение размеров на площади между двумя кругами? Мыслительный процесс набирал обороты.
Через год необычный богослов опубликовал свою первую работу «Тайна мироздания»(1596). В ней он изложил свои творческие взгляды на секреты Вселенной, подкрепленные религиозными убеждениями.
Тот, кто открыл законы движения планет, сделал это во имя Бога. Раскрывая математический план Вселенной, исследователь пришел к выводу: шесть планет заключены в сферы, между которыми вписываются пять правильных многогранников. Конечно, версия основывалась на том «факте», что существует только 6 небесных тел. Вокруг орбиты Земли Кеплер очертил идеальный додекаэдр и сферу, касающуюся орбиты Марса.
Совершенные многогранники
Вокруг области Марса ученый изобразил тетраэдр и сферу, сопредельную орбите Юпитера. В икосаэдр в орбитальной сфере Земли отлично «вписалась» сфера Венеры. С использованием оставшихся видов совершенных многогранников это же было проделано с остальными. Поразительно, но соотношения соседних планетарных орбит, представленные в гнездовой модели сфер Кеплера, совпало с расчетами Коперника.
Открывая законы движения планет, священник с математическим умом опирался в первую очередь на божественное вдохновение. У него не было никакой реальной основы для аргументов. Значение трактата «Тайны мироздания» заключается в том, что это был первый решительный шаг на пути признания гелиоцентрической системы мира, изложенной Коперником.
Предположения против высокой точности
В сентябре 1598 года протестанты в Граце, в том числе Кеплер, были вытеснены из города католическими правителями. Хотя Иоганну разрешили вернуться, положение оставалось очень напряженным. В поисках поддержки он обратился к Тихо Браге – математику и астроному при дворе императора Рудольфа II. Ученый был известен своей впечатляющей коллекцией планетарных наблюдений.
Он знал о труде «Тайна мироздания». Но когда в 1600 году его создатель прибыл в обсерваторию Тихо, расположенную за пределами города Праги, Браге, занимавшийся высокоточными (по тем временам) исследованиями, приветствовал его как автора конкретной работы, но не как своего коллегу. Противостояние между ними продолжалось до самой смерти датского астролога, которая произошла через год. После ухода соперника в мир иной Кеплеру доверили охранять сокровищницу его наблюдений. Они очень помогли исследователю стать тем, кто открыл законы движения планет вокруг Солнца.
Путь Марса
Последние исследования Браге по созданию таблицы движения планет не были завершены. Все надежды возлагались на преемника. Он был назначен имперским математиком. Несмотря на напряженные отношения с почившим коллегой, Кеплер был волен преследовать свои собственные интересы в астрономии. Он решил продолжить его наблюдения Марса и описать собственное видение орбиты этой планеты.
Иоганн был уверен: открыв сложный марсианский путь, можно раскрыть пути движения всех других «странников Вселенной». Вопреки распространенному мнению, он не просто использовал наблюдения Браге, чтобы выбрать геометрическую фигуру, которая соответствует описанию. Вчерашний теолог направил усилия на открытие физической теории движения «сестриц, живущих в безвоздушном пространстве», из которого можно вывести их орбиты. После титанической исследовательской работы появились три закона движения планет.
I. Орбиты планет представляют собой эллипсы с Солнцем в одном из фокусов.
Закон движения планет в солнечной системе установил, что планеты движутся по эллипсу. Он появился после восьми лет расчетов с использованием базы, составленной Тихо Браге на основании наблюдений планетарного движения Звезды Марс. Свой труд Иоганн назвал «Новая астрономия».
Итак, согласно первому Закону Кеплера, любой эллипс имеет две геометрические точки, называемые фокусами (фокус в единственном числе). Общее расстояние от планеты к каждому из очагов суммируется всегда одинаково, независимо от того, где планета находится на пути своего движения. Важность открытия в том, что предположение, что орбиты не являются идеальными кругами (как в геоцентрической теории) приблизило людей к более точному и четкому пониманию картины мира.
Второй закон
II. Линия, соединяющая планету с Солнцем (радиус-вектор) преодолевает равновеликие площади в равные промежутки времени, в то время когда планета движется вокруг эллипса.
То есть в любой промежуток времени, к примеру, через 30 дней, планета преодолевает ту же площадь, независимо от того, какой период вы выбираете. Она движется быстрее во время приближения к Солнцу и медленнее при удалении, но идет с постоянно меняющейся скоростью, когда движется вокруг своей орбиты. Самое «шустрое» движение наблюдается в перигелии (ближайшая к Солнцу точка) и самое «степенное» –в афелии (самая удаленная от Солнца точка). Так рассудил тот, кто открыл законы движения планет.
Третий закон
III. Квадрат общего периода времени обращения по орбите (Т) пропорционален кубу среднего расстояния от планеты до Солнца (R).
Этот принцип иногда называют законом гармонии. Он сравнивает орбитальный период времени и радиус орбиты планет. Суть открытия Кеплера заключена в следующем: отношение квадратов периодов движения и кубов средних расстояний от Солнца является одинаковым для каждой планеты.
Повторим, законы движения планет Кеплера были основаны на продолжительных серьезных наблюдениях и математически обработаны. Отображая закономерности, они не выявляли обусловленности явлений. Позже знаменитый первооткрыватель закона Всемирного тяготения Ньютон доказал, что отгадка крылась в физическом свойстве тел притягиваться друг к другу.
Тень моего тела здесь
Несмотря на свой успех, Кеплер постоянно страдал от финансовых неприятностей, нехватки времени на исследования, переездов в поисках мест, где терпимо относятся к его религиозным убеждениям. Несколько раз он пытался получить должность преподавателя в Тюбингене, но был воспринят как изменник, протестант и получил отказ.
Иоганн Кеплер умер 15 ноября 1630 года от приступа острой лихорадки. Похоронен на протестантском кладбище. В эпитафии его законный сын написал: «Я использовал для измерения небеса. Теперь я должен измерять тени Земли. Несмотря на то что душа моя на небе, тень моего тела лежит здесь».
Да, изначально в духе средневековых понятий ученый считал, что планеты двигаются потому, что у них есть души, это живая магия, а не просто комочки материи. Позже он понял, что научный подход более оправдан. Что же, священник и астроном, открывший законы движения планет, честно прошел путь прозрения. Но признаемся сами себе: иногда кажется, что в насквозь научной Вселенной так много мистики!
fb.ru
Законы движения планет - Класс!ная физика
В конце XVI в. датский астроном И. Кеплер, изучая движение планет, открыл три закона их движения. На основании этих законов И. Ньютон вывел формулу для закона всемирного тяготения. В дальнейшем, используя законы механики, И. Ньютон решил задачу двух тел — вывел законы, по которым одно тело движется в поле тяготения другого тела. Он получил три обобщенных закона Кеплера.
Первый закон Кеплера
Под действием силы притяжения одно небесное тело движется в поле тяготения другого небесного тела по одному из конических сечений — кругу, эллипсу, параболе или гиперболе
.
Планеты движутся вокруг Солнца по эллиптической орбите (рис. 15.6). Ближайшая к Солнцу точка орбиты называется перигелием, самая далекая — афелием. Линия, соединяющая какую-либо точку эллипса с фокусом, называется радиус-вектором.
Отношение расстояния между фокусами к большой оси (к наибольшему диаметру) называется эксцентриситетом е. Эллипс тем сильнее вытянут, чем больше его эксцентриситет. Большая полуось эллипса а — среднее расстояние планеты до Солнца.
По эллиптическим орбитам движутся и кометы и астероиды. У окружности е = 0, у эллипса 0 < е < 1, у параболы е = 1, у гиперболы е > 1.
Движение естественных и искусственных спутников вокруг планет, движение одной звезды вокруг другой в двойной системе также подчиняются этому первому обобщенному закону Кеплера.
Второй закон Кеплера
Каждая планета движется так, что радиус-вектор планеты за равные промежутки времени описывает равные площади.
Планета проходит путь от точки А до А' и от В до В' за одно и то же время.
Другими словами, планета движется быстрее всего в перигелии, а медленнее всего — когда находится на наибольшем удалении (в афелии). Таким образом, второй закон Кеплера определяет скорость движения планеты. Она тем больше, чем планета ближе к Солнцу. Так, скорость кометы Галлея в перигелии равна 55 км/с, а в афелии 0,9 км/с.
Третий закон Кеплера
Куб большой полуоси орбиты тела, деленный на квадрат периода его обращения и на сумму масс тел, есть величина постоянная.
Если Т — период обращения одного тела вокруг другого тела на среднем расстоянии а, то третий обобщенный закон Кеплера записывается как
а3/[Т2 (М1 + М2)] = G/4π2
где М1 и М2 — массы притягивающихся двух тел, a G — гравитационная постоянная. Для Солнечной системы масса Солнца массы любой планеты, и тогда
Правая часть уравнения — постоянная для всех тел Солнечной системы, что и утверждает третий закон Кеплера, полученный ученым из наблюдений.
Третий обобщенный закон Кеплера позволяет определять массы планет по движению их спутников, а массы двойных звезд — по элементам их орбит.
Движение планет и других небесных тел вокруг Солнца под действием силы тяготения происходит по трем законам Кеплера. Эти законы позволяют рассчитывать положения планет и определять их массы по движению спутников вокруг них.
Следующая страница «Система Земля-Луна» Назад в раздел «Астроноия -конспекты»Астрономия. 11 класс - Конспекты по учебнику «Физика-11» (Мякишев, Буховцев, Чаругин) - Класс!ная физика
Видимые движения небесных тел --- Законы движения планет --- Система Земля—Луна --- Физическая природа планет и малых тел солнечной системы --- Солнце --- Основные характеристики звезд --- Внутреннее строение Солнца и звезд главной последовательности. Эволюция звезд --- Млечный Путь — наша Галактика --- Галактики --- Строение и эволюция Вселенной --- Кратко о солнечной системе и строении Вселенной
class-fizika.ru
Законы движения Кеплера
Иоганн Кеплер и планеты Солнечной системы
Астрономия конца XVI века отмечает столкновение двух моделей нашей Солнечной системы: геоцентрическая система Птолемея – где центром вращения всех объектов является Земля, и гелиоцентрическая система Коперника – где Солнце является центральным телом.
Модель Солнечной системы Клавдия Птолемея
И хотя Коперник был ближе к истинной природе Солнечной системы, его работа имела недостатки. Основным из этих недостатков являлось утверждение, что планеты вращаются вокруг Солнца по круговым орбитам. С учетом этого, модель Коперника практически настолько же не согласовывалась с наблюдениями, как и система Птолемея. Польский астроном стремился исправить данное расхождение при помощи дополнительного движения планеты по кругу, центр которого уже двигался вокруг Солнца — эпицикл. Однако, расхождения в большей своей части не были устранены.
В начале XVII века немецкий астроном Иоганн Кеплер, изучая систему Николая Коперника, а также анализируя результаты астрономических наблюдений датчанина Тихо Браге, вывел основные законы относительно движения планет. Они были названы как Три закона Кеплера.
Эпицикл планеты
Первый закон Кеплера
Немецкий астроном пытался различными способами сохранить круговую орбиту движения планет, однако это не позволяло исправить расхождение с результатами наблюдений. Потому Кеплер прибегнул к эллиптическим орбитам. У каждой такой орбиты есть два так называемых фокуса. Фокусы – это две заданные точки, такие, что сумма расстояний от этих двух точек до любой точки эллипса является постоянной.
Иоганн Кеплер отметил, что планета движется по эллиптической орбите вокруг Солнца таким образом, что Солнце располагается в одном из двух фокусов эллипса, что и стало первым законом движения планет.
Первый закон Кеплера
Второй закон Кеплера
Проведем радиус-вектор от Солнца, которое располагается в одном из фокусов эллипсоидной орбиты планеты, к самой планете. Тогда за равные промежутки времени данный радиус-вектор описывает равные площади на плоскости, в которой движется планета вокруг Солнца. Данное утверждение является вторым законом.
Второй закон Кеплера
Третий закон Кеплера
Каждая орбита планеты имеет точку, ближайшую к Солнцу, которое называется перигелием. Точка орбиты, наиболее удаленная от Солнца, называется афелием. Отрезок, соединяющий эти две точки называется большой осью орбиты. Если разделить этот отрезок пополам, то получим большую полуось, которую чаще используют в астрономии.
Основные элементы эллипса
Третий закон движения планет Кеплера звучит следующим образом:
Отношение квадрата периода обращения планеты вокруг Солнца к большой полуоси орбиты этой планеты является постоянным, и также равняется отношению квадрата периода обращения другой планеты вокруг Солнца к большой полуоси этой планеты.
Также иногда записывают другое отношение:
Одна из записей третьего закона
Дальнейшее развитие
И хотя законы Кеплера имели относительно невысокую погрешность (не более 1%), все же они были получены эмпирическим способом. Теоретическое же обоснование отсутствовало. Данная проблема позже была решена Исааком Ньютоном, который в 1682-м году открыл закон всемирного тяготения. Благодаря этому закону удалось описать подобное поведение планет. Законы Кеплера стали важнейшим этапом в понимании и описании движения планет.
comments powered by HyperComments
spacegid.com
Движение планет вокруг Солнца
Планеты Солнечной системы
Еще в стародавние времена ученые мужи начали понимать, что не Солнце вращается вокруг нашей планеты, а все происходит с точностью наоборот. Точку в этом спорном для человечества факте поставил Николай Коперник. Польский астроном создал свою гелиоцентрическую систему, в которой убедительно доказал, что Земля не является центром Вселенной, а все планеты, по его твердому убеждению, вращаются по орбитам вокруг Солнца. Работа польского ученого «О вращении небесных сфер», была издана в немецком Нюрнберге в 1543 году.
До Коперника
Траектория движения в пространстве
Представления о том, как расположены планеты на небосводе первым в своем трактате «Великое математическое построение по астрономии», высказал древнегреческий астроном Птолемей. Он первым предположил, что они совершают свои движения по кругу. Но Птолемей ошибочно считал, что все планеты, а также Луна и Солнце движутся вокруг Земли. До работы Коперника его трактат считался общепринятым как в арабском, так и западном мире.
От Браге до Кеплера
Планеты
После смерти Коперника его труды продолжил датчанин Тихо Браге. Астроном, являющийся весьма состоятельным человеком, оборудовал принадлежащий ему остров, внушительными бронзовыми кругами, на которые наносил результаты наблюдения за небесными телами. Результаты, полученные Браге, помогли в исследовании математику Иоганну Кеплеру. Движение планет Солнечной системы именно немец систематизировал и вывел три своих знаменитых закона.
От Кеплера до Ньютона
Кеплер впервые доказал, что все 6 известных к тому времени планет двигаются вокруг Солнца не по кругу, а по эллипсам. Англичанин Исаак Ньютон, открыв закон всемирного тяготения, существенно продвинул представления человечества об эллиптических орбитах небесных тел. Его объяснения, что приливы и отливы на Земле происходят под влиянием Луны, оказались убедительными для научного мира.
Вокруг Солнца
Сравнительные размеры крупнейших спутников Солнечной системы и планет Земной группы.
Срок, за который планеты совершают полный оборот вокруг Солнца, естественно различный. У Меркурия, самой ближней к звезде, он составляет 88 земных суток. Наша Земля проходит цикл за 365 дней и 6 часов. Самая крупная в Солнечной системе планета Юпитер завершает свой оборот за 11,9 земных лет. Ну а у Плутона, — наиболее удаленной от Солнца планеты оборот и вовсе составляет 247,7 года.
Следует также учесть, что все планеты в нашей Солнечной системе движутся, не вокруг светила, а вокруг так называемого центра масс. Каждая при этом, вращаясь вокруг своей оси, слегка раскачиваются (подобно юле). К тому же и сама ось может ненамного смещаться.
comments powered by HyperComments
spacegid.com
