Alles im Universum ist in Bewegung. Monde umkreisen Planeten, die wiederum Sterne umkreisen. In Galaxien kreisen Millionen und Abermillionen von Sternen, und über sehr große Skalen kreisen Galaxien in riesigen Clustern. Auf der Skala des Sonnensystems stellen wir fest, dass die meisten Umlaufbahnen weitgehend elliptisch sind (eine Art abgeflachter Kreis). Objekte, die näher an ihren Sternen und Planeten liegen, haben schnellere Umlaufbahnen, während entfernte Objekte längere Umlaufbahnen haben.
Es hat lange gedauert, bis Himmelsbeobachter diese Bewegungen herausgefunden haben, und wir kennen sie dank der Arbeit eines Renaissance-Genies namens Johannes Kepler (der von 1571 bis 1630 lebte). Er schaute mit großer Neugier und brennendem Bedürfnis in den Himmel, um die Bewegungen der Planeten zu erklären, als sie über den Himmel zu wandern schienen.
Kepler war ein deutscher Astronom und Mathematiker, dessen Ideen unser Verständnis der Planetenbewegung grundlegend veränderten. Seine bekannteste Arbeit stammt aus seiner Anstellung beim dänischen Astronomen
Tycho Brahe (1546-1601). Er ließ sich 1599 in Prag nieder (damals Sitz des deutschen Kaisers Rudolf) und wurde Hofastronom. Dort beauftragte er Kepler, ein mathematisches Genie, mit der Berechnung.Kepler hatte Astronomie studiert, lange bevor er Tycho traf; Er befürwortete die kopernikanische Weltanschauung, wonach die Planeten die Sonne umkreisten. Kepler korrespondierte auch mit Galileo über seine Beobachtungen und Schlussfolgerungen.
Basierend auf seiner Arbeit schrieb Kepler schließlich mehrere Werke über Astronomie, darunter Astronomia Nova, Harmonices Mundi, und Inbegriff der kopernikanischen Astronomie. Seine Beobachtungen und Berechnungen inspirierten spätere Generationen von Astronomen, auf seinen Theorien aufzubauen. Er arbeitete auch an Problemen in der Optik und erfand insbesondere eine bessere Version des brechenden Teleskops. Kepler war ein zutiefst religiöser Mann und glaubte auch eine Zeit lang an einige Grundsätze der Astrologie.
Kepler wurde von Tycho Brahe beauftragt, die Beobachtungen zu analysieren, die Tycho vom Planeten Mars gemacht hatte. Diese Beobachtungen umfassten einige sehr genaue Messungen der Position des Planeten, die weder mit den Messungen von Ptolemäus noch mit den Ergebnissen von Copernicus übereinstimmten. Von allen Planeten hatte die vorhergesagte Position des Mars die größten Fehler und war daher das größte Problem. Tychos Daten waren die besten vor der Erfindung des Teleskops. Während er Kepler für seine Hilfe bezahlte, schützte Brahe seine Daten eifersüchtig und Kepler bemühte sich oft, die Zahlen zu finden, die er für seine Arbeit benötigte.
Als Tycho starb, konnte Kepler Brahes Beobachtungsdaten erhalten und versuchte herauszufinden, was sie bedeuteten. Im Jahr 1609, im selben Jahr Galileo Galilei Zuerst drehte Kepler sein Teleskop zum Himmel und erhaschte einen Blick auf das, was er für die Antwort hielt. Die Genauigkeit von Tychos Beobachtungen war gut genug für Kepler, um zu zeigen, dass die Umlaufbahn des Mars genau der Form einer Ellipse (einer länglichen, fast eiförmigen Form des Kreises) entsprechen würde.
Seine Entdeckung machte Johannes Kepler zum ersten, der verstand, dass sich die Planeten in unserem Sonnensystem in Ellipsen und nicht in Kreisen bewegten. Er setzte seine Untersuchungen fort und entwickelte schließlich drei Prinzipien der Planetenbewegung. Diese wurden als Keplers Gesetze bekannt und revolutionierten die planetare Astronomie. Viele Jahre nach Kepler, Herr Isaac Newton bewiesen, dass alle drei Kepler-Gesetze ein direktes Ergebnis der Gravitations- und Physikgesetze sind, die die Kräfte regeln, die zwischen verschiedenen massiven Körpern wirken. Also, was sind Keplers Gesetze? Hier ist ein kurzer Blick auf sie, wobei die Terminologie verwendet wird, mit der Wissenschaftler Orbitalbewegungen beschreiben.
Keplers erstes Gesetz besagt, dass "alle Planeten sich in elliptischen Bahnen bewegen, wobei die Sonne an einem Fokus und der andere Fokus leer ist". Dies gilt auch für Kometen, die die Sonne umkreisen. Auf Erdsatelliten angewendet, wird der Erdmittelpunkt zu einem Fokus, während der andere Fokus leer ist.
Keplers zweites Gesetz heißt Gebietsgesetz. Dieses Gesetz besagt, dass "die Linie, die den Planeten mit der Sonne verbindet, in gleichen Zeitintervallen über gleiche Gebiete verläuft". Um das Gesetz zu verstehen, denken Sie darüber nach, wann ein Satellit umkreist. Eine imaginäre Linie, die sie mit der Erde verbindet, fegt in gleichen Zeiträumen über gleiche Gebiete. Die Segmente AB und CD werden gleich lange abgedeckt. Daher ändert sich die Geschwindigkeit des Satelliten in Abhängigkeit von seiner Entfernung vom Erdmittelpunkt. Die Geschwindigkeit ist an dem Punkt in der Umlaufbahn am nächsten, der der Erde am nächsten liegt, genannt Perigäum, und am langsamsten an dem Punkt, der am weitesten von der Erde entfernt ist und Apogäum genannt wird. Es ist wichtig zu beachten, dass die Umlaufbahn eines Satelliten nicht von seiner Masse abhängt.
Keplers 3. Gesetz heißt Periodengesetz. Dieses Gesetz bezieht die Zeit, die ein Planet benötigt, um eine vollständige Reise um die Sonne zu unternehmen, auf seine mittlere Entfernung von der Sonne. Das Gesetz besagt, dass "für jeden Planeten das Quadrat seiner Rotationsperiode direkt proportional zum Würfel seiner mittleren Entfernung von der Sonne ist". Auf Erdsatelliten angewendet, Keplers 3. Gesetz erklärt, je weiter ein Satellit von der Erde entfernt ist, desto länger dauert die Umlaufbahn, desto größer ist die Entfernung, die er zur Umlaufbahn zurücklegt, und desto langsamer wird seine Durchschnittsgeschwindigkeit Sein. Eine andere Möglichkeit ist, dass sich der Satellit am schnellsten bewegt, wenn er der Erde am nächsten ist, und langsamer, wenn er weiter entfernt ist.