Kepler-törvények, az égitestek mozgása

1. Készítette: Szalai Tamás (csillagász, PhD-hallgató, SZTE) Lektorálta: Dr. Szatmáry Károly (egy. docens, SZTE Kísérleti Fizikai Tsz.) 2011. március Kepler-törvények, az égitestek mozgása

2. A XVII. század elejéig teljesen rossz elképzelések éltek az emberekben az égitestek mozgását illetően (Föld-középpontú világkép, körpályák, bonyolult mozgástörvények). • Kopernikusz ugyan rávilágított, hogy a bolygók a Nap körül keringenek, de mozgásukat ő sem tudta helyesen leírni (körpályákat használt). • Johannes Kepler (1571-1630) német matematikus, csillagász írta le elsőként az égitestek helyes mozgástörvényeit (egykori mentora, Tycho Brahe észlelési adatait felhasználva). • Az ő munkájából nőtt ki később az égi mechanika tudománya, ami segített nagyon pontosan meghatározni az égitestek mozgását, és eszközöket juttatni a világűrbe.

3. Kepler I. törvénye: A bolygók olyan ellipszispályákon keringenek, amelyek egyik gyújtópontja (fókuszpontja) a Nap középpontjában van.

4. Kepler II. törvénye: A bolygók vezérsugara (a bolygó és a Nap közötti szakasz) egyenlő idők alatt egyenlő területeket „súrol”. (A bolygók napközelben gyorsabban mozognak, mint naptávolban.)

5. Kepler III. törvénye: A bolygók keringési időinek négyzetei úgy aránylanak egymáshoz, mint az ellipszispályák nagytengelyeinek köbei:

6. Kicsit részletesebben a III. törvényről • Vegyük egy m2 test körül keringő, előbbihez képest elhanyagolható tömegű m1 test körpályán történő mozgását: • A törvény általános formulája (ellipszis alakú pálya, nem elhanyagolható tömegek): Azaz ha pl. a Nap körül keringő égitesteket nézzük, akkor r3/T2 egy konstans érték → vagyis a keringési idő ismeretében kiszámítható az átlagos Nap-bolygó távolság.

7. Az égitestek mozgása • Az égi mechanika törvényeiből levezethető, hogy az égitestek mozgása kúpszelet alakú pályán történik. Ez lehet: • ellipszis (e < 1) – az összenergia negatív (speciális eset: kör, e=0) • parabola (e =1) – az összenergia nulla • hiperbola (e > 1) – az összenergia pozitív (ahol e a pálya lapultsága)

8. Műholdak és űrszondák pályái • A műholdak és űrszondák sokféle pályán helyezkednek el, és rendkívül sokrétű feladatot láthatnak el. Ahhoz, hogy egy testet Föld körüli pályára állítsunk, vagy a bolygóközi térbe küldjünk, a különböző, ún. kozmikus sebességeknél nagyobb értékre kell felgyorsítanunk azt.

9. I. kozmikus sebesség (körsebesség): Az a sebesség, mellyel indítva egy test (pl. műhold) az adott égitest (pl. a Föld) körüli pályára képes állni. Körpálya esetén a testet pályán tartó centripetális erő egyszerűen felírható: • II.kozmikus sebesség (szökési sebesség): Az a minimális sebesség , mellyel egy test eltávolodhat az adott égitesttől. Ehhez a test mozgási energiájának legalább akkorának kell lennie, mint a lokális gravitációs potenciális energia: • Szokás még definiálni ún. III. és IV. kozmikus sebességet is, melyek a Naprendszer, illetve a Tejútrendszer elhagyásához szükséges minimális sebességeket jelentik (Földről indított űrszonda esetében ezek értéke 16,6 km/s, ill. ~ 500 km/s).

10. Föld körül keringő műholdak pályái • A Föld körül keringő műholdak és egyéb égitestek különböző pályákon mozoghatnak. A pályák csoportosítása elsősorban az egyes pályaelemek alapján történik: • excentricitás (e) alapján: körpálya (e=0), elliptikus pálya • inklináció (i, pályahajlás) alapján: egyenlítői pálya (i=0 fok), közepes inklinációjú pálya, poláris pálya (i=90 fok) • félnagytengely (h, magasság) alapján: LEO (Low Earth Orbit, 0 < h < 2000 km), MEO (Medium Earth Orbit, 2000 km < h < 35 768 km), GEO (Geosynchronous Earth Orbit, h = 35 768 km), HEO (High Earth Orbit, h > 35768 km)

11. Speciális pályák: • Geoszinkron pálya: ennek jellegzetessége, hogy a rajta mozgó műhold keringési ideje megegyezik a Föld tengelyforgási idejével (T = 24 óra = 86400 s). Körpályán, az Egyenlítő síkjában keringő műhold geostacionárius pályán mozog (így mindig a Föld egy adott pontja fölött tartózkodik, sok távközlési műhold ilyen). Kepler III. törvénye alapján a félnagytengely: a = 42 164 km, a földfelszín feletti magasság pedig: h = a – RFöld = 42 164 km – 6376 km = 35 768 km. • További speciális pályák: napszinkron pálya (az adott terület a műhold fölött mindig ugyanabban a napszakban repül el), különböző távközlési és navigációs műholdcsaládok pályái (GPS, Molnyija stb.)

12. Űrszondák pályái • A bolygóközi térben mozgó űrszondák számára két fontos tényező alakítja ki a pályák alakját: vagy a legrövidebb idő alatt, vagy a legkisebb energiafogyasztással kell eljutniuk céljukhoz. Utóbbi eset hátránya, hogy egyrészt nem a leggyorsabb úton juttatja a szondát a célbolygóhoz, másrészt az indítás általában nem történhet tetszőleges időpontban, csak az ún. indítási ablakokban. Egy speciális, energiaminimumos pálya, az ún. Hohmann-ellipszis a Föld és a Mars között

13. A bolygóközi repülések során az ún. gravitációs hintamanőverek révén lehetőség van a szondák sebességének ill. a mozgás irányának megváltozta-tására. Ekkor a szondának szorosan meg kell közelítenie egy bolygót, de úgy, hogy sebessége még meghaladja az ottani szökési sebességet. • Így a szonda sebessége – a bolygó gravitációs teréből nyert impulzus-momentum révén – nagyobb lesz, mint eredetileg volt. • Ha az a cél, hogy a szonda pályára álljon a bolygó körül, akkor a relatív sebességet fékezéssel csökkenteni kell. Gyorsítás (fent) ill. lassítás (lent) a gravitációs hinta- manőver segítségével

14. Hasznos információforrások: • Könyvek: • Univerzum (2006, IKAR, szerk.: M. Rees) • SH Atlasz – Csillagászat (2002, Athenaeum 2000, szerk.: J. Herrmann) • Amatőrcsillagászok kézikönyve (2009, MCSE, szerk.: Mizser A.) MCSE Meteor havi folyóirat + Csillagászati évkönyvek Feltárul a Világegyetem – Természet Világa különszám (2009) Internet: • tudasbazis.csillagaszat.hu • hirek.csillagaszat.hu • www.urvilag.hu • www.mcse.hu (Magyar Csillagászati Egyesület oldala) • astro.u-szeged.hu (Szegedi Csillagvizsgáló oldala) http://astro.u-szeged.hu/oktatas/csillagaszat.htmlLetölthető segédanyag! • icsip.elte.hu (ELTE interaktív csillagászati portál)