Respuestas
Primera Ley de Kepler
Primero explique lo que es una elipse: una de las formas de las "secciones cónicas," obtenidas mediante el cortar un cono con una superficie plana. Una linterna crea un cono de luz: diríjala a una pared plana y obtiene una sección cónica.
Dirija el haz a la pared de forma perpendicular. La pared corta al cono de manera perpendicular al eje y así obtiene un círculo de luz.
Ponga el cono en ángulo relativo a la pared: una elipse. Entre mayor sea el ángulo, más lejos se cierra la elipse.
las curvas generadas como
"secciones cónicas" cuando planos
rectos son cortados a lo largo de un cono.
Finalmente, si el eje del cono está paralelo a la pared, la curva nunca se cierra: se obtiene una parábola. Las leyes de Kepler (así las conocemos ahora) forman todas secciones cónicas, y las parábolas son muy parecidas a las órbitas de los cometas no periódicos, los cuales comienzan sus movimientos muy lejos.
(Incline aún más y obtendrá hipérbolas--no solo las trayectorias no se cierran, sino la direcciones de ir y venir forman un ángulo definido).
Las elipses tienen otras propiedades--tienen dos puntos especiales "foco", y si toma cualesquiera de dos puntos sobre la elipse, la suma de las distancias (r1 + r2) desde los dos focos es siempre la misma (para esa elipse). Al final de la sección #11 hay también una agradable historia "susurros en el Capitolio de los EU", respecto a cómo una elipsoide--la superficie creada al torcer una elipse alrededor de su eje--puede enfocar ondas de sonido.
Segunda Ley de Kepler
(2) La línea que conecta el Sol con un planeta barre
áreas iguales en tiempos iguales.
(Esa línea a veces es llamada "radio vector").
Ilustrando la 2da. ley de Kepler:
A los segmentos AB y CD les lleva el
mismo tiempo el recorrerlo.
Una elipse es un óvalo elongado simétrico, con dos focos localizados simétricamente hacia las orillas más "agudas"--un foco contiene al Sol, y el otro está vacío. (Dibuje dicha elipse). Si acercamos los focos cada vez más, la elipse se parece cada vez más a un círculo, y cuando se traslapan, finalmente tenemos un círculo. [La órbita de la Tierra, así como la mayoría de las órbitas planetarias, se aproximan mucho a un círculo. Si le mostrara la órbita de la Tierra sin el Sol en un foco, es probable que no pudiera distinguirla de un círculo. Con el Sol incluído, sin embargo, podrá notar que está ligeramente fuera de centro].
La clave de la 2da. ley de Kepler es que, aunque la órbita es simétrica, el movimiento no lo es. Un planeta se acelera al acercarse al Sol, obtiene su máxima velocidad al pasar en su máxima aproximación, y luego se desacelera.
(La estrella S2 se acelera hasta un 2% de la velocidad de la luz al acercarse al agujero negro que está en el centro de nuestra galaxia).
Lo que ocurre se entiende mejor en términos de energía. Conforme se retira el planeta del Sol (o el satélite de la Tierra), este pierde energía al sobreponerse de la atracción gravitacional, y se desacelera, como una piedra tirada hacia arriba. Y al igual que la piedra, vuelve a ganar su energía (completamente--no hay resistencia al aire en el espacio) al regresar.
Explicación:
(T1 / T2)2 = (A1 / A2)3
Los estudiantes preguntarán de inmediato--podemos contar días para obtener el período orbital T (aunque puede ser complicado, necesitamos restar el movimiento de la Tierra alrededor del Sol)--pero ¿Cómo conocemos las distancia A?
(T1)2 =
Esto puede ser verificado, y en la sección 10 encontrará los resultados en una tabla:
3ra Ley de Kepler
T en años, a en unidades astronómicas; entonces T2 = a3
Planeta Periodo T Dist. a del Sol T2 a3
Mercurio 0.241 0.387 0.05808 0.05796
Venus 0.616 0.723 0.37946 0.37793
Tierra 1 1 1 1
Marte 1.88 1.524 3.5344 3.5396
Júpiter 11.9 5.203 141.61 140.85
Saturno 29.5 9.539 870.25 867.98
Urano 84.0 19.191 7056 7068
Neptuno 165.0 30.071 27225 27192
Plutón 248.0 39.457 61504 61429,
La ley de la órbita: Todos los planetas se mueven en órbitas elípticas, con el Sol en uno de los focos. 2. La ley de las áreas: La línea que une un planeta al Sol, barre áreas iguales en tiempos iguales. 3.
(3) El cuadrado del período orbital de un planeta es proporcional al cubo de la distancia media desde el Sol.
(O en otras palabras--del "eje semimayor" de la elipse, la mitad de la suma de la distancia más grande y la más pequeña desde el Sol).
Esta es una ley matemática, y sus estudiantes necesitan calculadoras con raíces cuadradas, también potencias a la 3/2 y 2/3 (y tal vez también raíces cúbicas o potencias a la 1/3 que es lo mismo)...