background image

  

Prawa Keplera

W roku 140 n.e. Claudius Ptolemeus 
zaproponował swój geocentryczny model 
Świata.

Gwiazdy stałe 
zostały ustalone, a 
wszystkie inne 
planety razem ze 
Słońcem i 
Księżycem krążyły 
wokół Ziemi, przy 
czym planety po 
skomplikowanych 
torach. System 
ptolomeuszowski 
był w stanie 
wytłumaczyć 
obserwowane 
pętle kreślone 
przez Mars.

background image

Zobaczmy, jak wyglądała linia zakreślana przez 
Merkurego w 1955 r.

background image

Poniżej widzimy pętle kreślone przez Marsa.

U.J. Schrewe 

background image

Układ heliocentryczny został zaproponowany przez 
Kopernika w 1543 r.

background image

Wytłumaczenie pętli zataczanych przez 
Marsa w oparciu o
układ heliocentryczny.

background image

W końcu wieku 16 Tycho de Brache doszedł 
do wniosku, że aby odpowiedzieć na pytanie, 
czy planety naprawdę obracają się dookoła 
Słońca, należy raczej przeprowadzić dokładne 
pomiary, a nie debatować nad tym. Przez 
wiele lat wykonywał pomiarów w swoim 
obserwatorium na wyspie Hven koło 
Kopenhagi. Wyniki pomiarów Tycho de 
Brache opracowywał jego asystent Kepler, 
który odkrył prawa ruchu planet nazwane 
później jego imieniem.

Oto do czego doszedł Kepler.

1. Planety poruszają się dookoła Słońca po 

elipsach, a Słońce     

      znajduje się w jednym z ognisk elipsy

background image

b

a

r

P

r

F

F’

a

a

Elipsa posiada dwie 
półosie, dużą i małą, 
oraz dwa ogniska.
W układzie biegunowym 
równanie elipsy ma 
postać:

cos

a

k

r

przy czym,

2

2

2

2

)

1

(

b

a

a

k

.

 stanowi  mimośród 

elipsy.

2.  Promień wodzący od Słońca do Planety 

zatacza w tych samych odcinkach czasy te 
same pola powierzchni.

Tylko dla Merkurego i „Plutona”   > 0.02.

background image

Słońce

Plane
ta

r

Pamiętamy, że pole trójkąta jest dane przez równanie:    
                           S = ½ a · b · sin
, możemy wprowadzić 

wektor pola zakreślanego przez wektor r jako:





 

dt

r

d

r

S

2

1

Zgodnie z drugim prawem Keplera:

2

0

dS

dt

r

,

background image

2

2

0

dr dr

d r

r

dt dt

dt

 

r

r

r

r

czyli,

.

Pierwszy człon w równaniu jest równy zero. 
Zostaje więc,

2

2

0

d r

r

dt

r

r

.

Widzimy więc, że przyśpieszenie, a tym 
samym też siła są równoległe do promienia  
r, czyli linii łączącej Planetę i Słońce.

Taką siłę nazywamy siłą centralną.

Zdefiniujmy sobie jeszcze trzecie prawo Keplera.

background image

3.  

Stosunek kwadratu okresu obiegu Planety 

dookoła Słońca do trzeciej potęgi dłuższej 
półosi elipsy jest równy dla wszystkich orbit 
planetarnych .

Prawo to porównuje okresy ruchu różnych 
planet i stwierdza;

3

3

18

2

2

3.354 10

a

m

C

T

s

Załóżmy, że orbity po których krążą Planety są kołowe. 
Możemy wtedy znaleźć zależność siły grawitacji od 
odległości. Przyśpieszenie radialne w ruchu po okręgu 
jest równe 

2

2

2

4

r

a

r

r

T

  

.

Wstawmy  1/T

2

 =C/r

3

 w oparciu o trzecie prawo 

Keplera.

background image

Zestawienie Praw 
Keplera

1.

 

Planety poruszają się dookoła 

Słońca po     elipsach, a Słońce 
znajduje się w jednym z ognisk 
elipsy

2.

 

Promień wodzący od Słońca 

do Planety zatacza w tych 
samych odcinkach czasy te same 
pola powierzchni

3.

 

Stosunek kwadratu okresu 

obiegu Planety dookoła Słońca 
do trzeciej potęgi 
dłuższej półosi elipsy jest równy 
dla
wszystkich orbit planetarnych

 

2

3

1

1

2

3

2

2

T

r

C const

T

r

 

Słoń
ce

S

1

=

S

2

background image

  

Wyznaczenie stałej grawitacji

 

Stała grawitacji może zostać wyznaczona 
tylko w oparciu o  Prawo Powszechnego 
Ciążenia Newtona.

2

1

2

F r

G

m m



Musimy więc wyznaczyć siłę F działającą 
pomiędzy dwoma masami m

i m

2

 

znajdującymi się w odległości r.

Dane astronomiczne nie wystarczą, gdyż nie 
znamy dokładnie mas.

Pomiarów dokonał Cavendish w oparciu o dwie znane masy 
wykorzystując wagę skręceń w 1798 r.

background image

Widok z boku

Widok z góry

nitka sprężysta

Pozycja równowagi

równowaga

Pozycja 1

Pozycja 2

background image

Równania opisujące ruch 
planet

Jeśli chcemy opisać ruch planety o masie 

m

 

dookoła Słońca, które ma masę 

M

, musimy 

napisać następujące równanie ruchu.

2

dv

mM r

m

F

F

G

dt

r r

 



r

r

r

r

Ponieważ ruch odbywa się na płaszczyźnie, 
możemy napisać,

3

3

x

x

y

y

dv

x

m

GMm

k

dt

r

dv

y

m

GMm

k

dt

r



 



 

,


Document Outline