Kepler Gezegensel Hareket Yasaları (Kepler's laws of planetary motion)

Kepler'in gezegensel hareket yasaları, solar sistemde bulunan gezegenlerin hareketlerini açıklayan üç matematiksel yasadır. Alman matematikçi ve astronom Johannes Kepler (1572-1630) tarafından keşfedilmişlerdir.

Tycho Brahe Kepler'den önce Alman İmparatorluğunun astroloğuydu ve o güne kadarki en iyi gök haritalarını hazırlamıştı. Barahe'nin kalfası olan Kepler Brahe'nin ölümünden sonra bu haritaları inceleyerek, Brahe'in gezegenlerin konumları ile tutmuş olduğu kayıtların görece basit olan üç adet matematiksel ifade ile açıklanabileceğini bulmuştur.

Kepler yasaları, Aristocu ve Batlamyusçu astronomi ve fiziğe meydan okumuştur. Batlamyus modelinden tamamen farklı olarak, gezegenlerin değişken hızlarının, tüm gezegenlerin güneş çevresindeki eliptik yörüngelerde dolandığını iddia ederek doğrulukla açıklanabileceğini söylemiş, astronomi ve fiziği kökten değiştirmiştir. Hemen hemen bir asır sonra Isaac Newton, kendi hareket yasalarından ve yine kendi bulduğu evrensel çekim yasasından yola çıkıp, Öklid geometisini kullanılarak Kepler yasalarının ortaya çıkarılabileceğini göstermiştir.

Günümüzde Kepler yasaları yapay uyduların ve Kepler'in bile habersiz olduğu güneş yörüngesinde dolanan kimi cisimlerin (uzak gezegenler ve küçük astroidler gibi) yaklaşık yörüngelerini hesaplamakta kullanılmaktadır. Bu yasalar, atmosfer sürtünmesi, görelilik ve diğer cisimlerin etkisi göz önünde bulundurulmadığında, göreli olarak küçük cisimlerin daha büyük ve daha kütleli cisimler etrafında yaptığı hareketleri açıklamada oldukça kullanışlıdır.

Şekil-1: İki gezegensel yörünge ile Kepler'in üç yasasının tanımlanması


Kepler Yasaları

Kepler yasaları birbiri etrafında dönen herhangi iki cismin hareketini açıklar.Bu cisimlerin kütleleri, yaklaşık olarak birbirine eşit (örn. Charon ve Plüton, ~1/10), birbirinden az miktarda farklı (örn. Ay ve Dünya, ~1/100) veya birbirinden çok farklı (örn. Merkür ve Güneş, ~1/10 000 000) olabilir. Tüm durumlarda her iki cisim de ortak bir kütle merkezi noktası etrafında dolanır ve hiçbirinin de kendi kütle merkezi elipsin odaklarından birinde bulunmaz. Buna rağmen her iki yörünge de, odaklarından biri sistemin kütle merkezinde olmak üzere, bir elips şeklindedir.

Kepler bu yasaları, sadece Güneş'e ve gezegenlere uyguladığından burada da yasalar sadece Güneş'e ve gezegenlere uygulanabilirliği bağlamında ele alınmıştır.

Birinci Yasa

‘Her gezegen, odak noktalarının birinde güneşin bulunduğu bir elips yörünge üzerinde hareket eder’.

Önceki inanışa göre yörüngeler mükemmel çemberler üzerinde bulunmalıydı. Bu gözlem evrenin Kopernikçi görüşünü desteklemekteydi. Kepler'in hesaplamaları yörüngelerin eliptik olduğunu göstermiş, Güneş'e çok daha uzak göksel cisimlerin yörüngelerinin de büyük dışmerkezliliğe sahip eliptik yörüngeler olacağını öngörmüştür. (Şekil-2a)

İkinci Yasa

‘Bir gezegeni güneşe bağlayan çizgi eşit zaman aralıklarında eşit alanlar tarar’.

Sembolik olarak:
d/dt (½ r2q) = 0

Burada ½ r2q ifadesi "alansal hız"'ı (birim zamanda taranan alan) ifade eder. Matematiksel olarak bu ifadenin zamana göre türevinin sıfır olması, gezegen tarafından birim zamanda taranan alanın sabit olduğu anlamına gelmektedir. Bu yasa eşit alanlar yasası olarak da bilinir.(Şekil-2b)

Kepler'in ikinci yasası, birinci yasasının üzerine eklenen bir gerçeği daha ifade etmektedir. İkinci yasa, birinci yasaya göre eliptik yörüngede dolanan gezegene etkiyen net teğet kuvvetin sıfır olması gerektiğini söylemektedir. 'Alansal hız' adı verilen nicelik açısal momentum ile çok yakından ilişkilidir ve bu sebepten ötürü Kepler'in ikinci yasası açısal momentumun korunumunun da bir ifadesidir.

Şekil-2: (a) Kepler'in birinci yasası, güneşi eliptik yörüngenin merkezlerinden birine koyar, (b) Gezegen Güneş'in yakınında daha hızlı hareket eder, böylece uzakta bulunup yavaş hareket ettiği durumlarda taradığı alan ile aynı miktarda alan taranmış olur.

Üçüncü Yasa

‘Bir gezegenin yörüngesel periyodunun karesi, dolandığı elipsin ana eksen uzunluğunun küpü ile doğru orantılıdır’.

Güneşten uzak gezegenler, daha yakın olanlara kıyasla daha uzun yörünge periyotlarına sahiptir. Kepler'in üçüncü yasası bu gerçeği niceliksel olarak açıklar.

Sembolik olarak:
P2 µ a3

P gezegenin yörüngesel periyodu ve a yörüngenin ana eksenidir. Orantı sabiti güneş çevresinde dolanan tüm gezegenler için aynıdır.

P2gezegen / a3gezegen = P2dünya / a3dünya = C

C = 2.97473 10-19 s2.m-3 (MKS sisteminde, son ölçümlere göre)

Örneğin, bir A gezegeninin güneşe olan uzaklığının B gezegeninin güneşe olan uzaklığından dört kat daha büyük olduğunu düşünelim. Yasaya göre, toplamda A gezegeninin yörüngeyi tamamıyla dolanması için geçen süre, B gezegeninin yörüngeyi dolanması için geçen süreden 4×2=8 kat daha büyük olacaktır (82=43).


Sıfır Dışmerkezlilik

Kepler yasaları Kopernik modelini mükemmelleştirir. Eğer bir gezegensel yörüngenin dışmerkezliliği sıfırsa Kepler yasaları aşağıdaki şekli alır:

1.     Güneş merkezde olacak şekilde gezegensel yörünge çemberseldir.
2.     Gezegenin yörünge hızı sabittir.
3.     Gezegenin yörüngesel periyodunun karesi, güneşe olan uzaklığının kübü ile orantılıdır.

Gerçekten de Kopernik ve Kepler tarafından bilinen altı gezegenin dışmerkezlilikleri oldukça küçüktür, bu nedenle bu gezegenler için Kepler yasalarını yukarıdaki şekilde almak, bu gezegenlerin hareketi için mükemmel yaklaşıklıklar sağlar.

O zamanlar düzgün çembersel hareketin normal olduğu düşünüldüğünden, bu hareketten herhangi bir sapma bir anormallik olarak görülüyordu. Kepler'in Kopernik modeli üzerine yaptığı düzeltmeler açıkça belli olmuyordu:

1.     Gezegensel hareketler bir çember şeklinde değil, bir elips şeklindedir ve güneş yörüngenin merkezinde değilodak noktalarından birindedir.
2.     Yörüngede dolanan bir gezegenin ne hızı ne de açısal hızı sabittir, sabit olan alansal hızdır.
3.     Bir gezegenin yörüngesel periyodunun karesi, gezegenin güneşe olan en küçük ve en büyük uzaklıklarının ortalamasının kübü ile orantılıdır.

Mart ekinoksundan Eylül ekinoksuna kadar olan süre yaklaşık 186 gün iken, Eylül ekinoksundan Mart ekinoksuna kadar olan süre yaklaşık 179 gündür. Bu temel gözlem Kepler'in yasalarını kullanarak gösteriyor ki dünya yörüngesinin dışmerkezliliği sıfır değildir. Bir çap doğrusu yörüngeyi alanları eşit iki kısma ayırırken, ekvator düzlemi ile ekliptik düzlemi arasındaki kesişim, yörüngeyi alanları oranı 186/189 olacak şekilde iki kısma ayırır. Böylece dünya yörüngesinin dışmerkezliliği yaklaşık olarak,

       p  186 – 179
e » ¾ ¾¾¾¾¾ = 0.015 bulunur
      4  186 + 179

Bu değer ölçülen gerçek değere oldukça yakındır.


Sıfır Olmayan Gezegensel Kütle

Kepler yasalarına uygun şekilde hareket eden bir gezegenin ivmesinin güneşe yönelmiş olduğu ve ivmenin büyüklüğünün güneşe olan uzaklığın karesi ile ters orantılı olduğu gösterilebilir. Isaac Newton evrende bulunan tüm kütlelerin, kütleçekim kuvveti olarak tanımladığı bir kuvvet ile birbirini çektiğini varsaymıştır. Gezegenlerin kütlesi güneşe kıyasla çok küçük olduğundan, yörüngeler yaklaşık olarak Kepler yasalarına uyumludur. Newton'ın modeli Kepler yasalarını geliştirerek, gözlemlere daha uygun sonuçlar elde edilmesini sağlar.

Gezegenlerin oluşturduğu çekim nedeni ile Kepler yasalarından sapmalar pertürbasyon (ing. perturbation) olarak adlandırılır.

Kepler'in üçüncü yasasındaki orantı sabitinin yörüngede dolanan cisimlerin kütlelerine bağımlılığı aşağıdaki ifadedeki gibidir:

(P / 2p)2 = a3 / G (M + m)

Burada P yörüngeyi dolanmak için geçen zaman (periyot), P/2p radyan başına zamandır. G kütle çekim sabiti, M güneşin kütlesi ve m gezegenin kütlesidir. Eşitlikten görüleceği üzere, gezegenin kütlesi güneşin kütlesi yanında ihmal edilebilecek kadar küçük olduğunda, Kepler sabitinde gezegenin kütlesi nedeni ile meydana gelen değişim yok sayılabilir. Örnek olarak Kepler sabitinde, Güneş Sistemindeki en büyük kütleli gezegen olan Jupiter'in kütlesinden kaynaklanan tutarsızlık bile yüzde 10 kadardır.


28 Temmuz 2019

GERİ (yasalar)
GERİ (gravitasyon ve görelilik)
GERİ (klasik yasalar)