كل شيء في الكون يتحرك. تدور الكواكب المدارية ، والتي بدورها تدور حول النجوم. تحتوي المجرات على ملايين وملايين النجوم تدور في داخلها ، وعبر نطاقات كبيرة جدًا ، تدور المجرات في مجموعات عملاقة. على نطاق النظام الشمسي ، نلاحظ أن معظم المدارات بيضاوية الشكل إلى حد كبير (نوع من الدائرة المسطحة). تحتوي الأجسام الأقرب إلى نجومها وكواكبها على مدارات أسرع ، في حين أن الأجسام البعيدة لها مدارات أطول.
استغرق مراقبو السماء وقتًا طويلاً لمعرفة هذه الحركات ، ونحن نعرف عنها بفضل عمل عبقري عصر النهضة اسمه يوهانس كيبلر (عاش من 1571 إلى 1630). نظر إلى السماء بفضول كبير وحاجة ملحة لشرح حركات الكواكب لأنها بدت وكأنها تتجول عبر السماء.
كان كبلر عالم فلك وعالم رياضيات ألماني غيرت أفكاره بشكل أساسي فهمنا لحركة الكواكب. ينبع عمله الأكثر شهرة من عمله بواسطة عالم الفلك الدنماركي تايكو براهي (1546-1601). استقر في براغ في 1599 (ثم موقع محكمة الإمبراطور الألماني رودولف) وأصبح عالم فلك البلاط. هناك ، استأجر كيبلر ، الذي كان عبقريًا رياضيًا ، لإجراء حساباته.
درس كيبلر علم الفلك قبل وقت طويل من لقائه تايكو. فضل وجهة نظر كوبرنيكوس العالمية التي قالت إن الكواكب تدور حول الشمس. كما راسل كيبلر جاليليو حول ملاحظاته واستنتاجاته.
في النهاية ، استنادًا إلى عمله ، كتب كبلر العديد من الأعمال حول علم الفلك ، بما في ذلك علم الفلك نوفا, هارمونيس مونديو مثال لعلم الفلك الكوبرنيكي. ألهمت ملاحظاته وحساباته أجيالًا لاحقة من علماء الفلك للبناء على نظرياته. كما عمل على مشاكل في البصريات ، وعلى وجه الخصوص ، اخترع نسخة أفضل من تلسكوب الانكسار. كان كبلر رجلًا متدينًا للغاية وكان يؤمن أيضًا ببعض مبادئ التنجيم لفترة من حياته.
تم تعيين كيبلر من قبل تايكو براهي لتحليل الملاحظات التي قام بها تايكو من كوكب المريخ. تضمنت هذه الملاحظات بعض القياسات الدقيقة للغاية لموقف الكوكب التي لم تتفق مع قياسات بطليموس أو نتائج كوبرنيكوس. من بين جميع الكواكب ، كان للموقع المتوقع للمريخ أكبر الأخطاء وبالتالي طرح أكبر مشكلة. كانت بيانات Tycho هي الأفضل المتاحة قبل اختراع التلسكوب. أثناء دفع كيبلر لمساعدته ، حرس براهي بياناته بغيرة وغالبًا ما كان كيبلر يكافح للحصول على الأرقام التي يحتاجها للقيام بعمله.
عندما مات Tycho ، كان Kepler قادرًا على الحصول على بيانات الملاحظة الخاصة بـ Brahe وحاول أن يحير ما يقصده. عام 1609 ، وهو نفس العام جاليليو جاليلي قام كيبلر أولاً بتحويل تلسكوبه نحو السماء ، وألقى نظرة خاطفة على ما يعتقد أنه قد يكون الجواب. كانت دقة ملاحظات تايكو جيدة بما يكفي لكي يثبت كيبلر أن مدار المريخ سيتناسب بدقة مع شكل القطع الناقص (شكل دائرة ممدود ، على شكل بيضة تقريبًا).
جعل اكتشافه يوهانس كيبلر أول من فهم أن الكواكب في نظامنا الشمسي تحركت في الحذف وليس في الدوائر. واصل تحقيقاته ، وأخيرًا وضع ثلاثة مبادئ للحركة الكوكبية. أصبحت تعرف باسم قوانين كبلر وأحدثوا ثورة في علم الفلك الكوكبي. بعد سنوات عديدة من كيبلر ، السير اسحق نيوتن أثبتت أن قوانين Kepler الثلاثة هي نتيجة مباشرة لقوانين الجاذبية والفيزياء التي تحكم القوى في العمل بين مختلف الأجسام الضخمة. إذن ، ما هي قوانين كبلر؟ هنا نظرة سريعة عليها ، باستخدام المصطلحات التي يستخدمها العلماء لوصف الحركات المدارية.
ينص قانون كيبلر الأول على أن "جميع الكواكب تتحرك في مدارات إهليلجية مع الشمس في تركيز واحد والآخر فارغ." وينطبق هذا أيضًا على المذنبات التي تدور حول الشمس. بالتطبيق على الأقمار الصناعية للأرض ، يصبح مركز الأرض تركيزًا واحدًا ، بينما يكون التركيز الآخر فارغًا.
يسمى قانون كيبلر الثاني قانون المناطق. ينص هذا القانون على أن "الخط الذي يصل الكوكب بالشمس يمتد على مناطق متساوية في فترات زمنية متساوية". لفهم القانون ، فكر في متى يدور القمر الصناعي. خط خيالي يربطها بالأرض يكتسح مناطق متساوية في فترات زمنية متساوية. تأخذ مقاطع AB و CD أوقات متساوية لتغطية. لذلك ، تتغير سرعة القمر الصناعي ، اعتمادًا على بعده عن مركز الأرض. السرعة هي أعظم نقطة في المدار الأقرب إلى الأرض ، تسمى الحضيض ، وأبطأ عند النقطة الأبعد عن الأرض ، تسمى الأوج. من المهم ملاحظة أن المدار الذي يتبعه القمر الصناعي لا يعتمد على كتلته.
قانون كيبلر الثالث يسمى قانون الفترات. يربط هذا القانون الوقت اللازم للكوكب للقيام برحلة واحدة كاملة حول الشمس لمسافة متوسطة من الشمس. ينص القانون على أنه "بالنسبة لأي كوكب ، فإن مربع فترة ثورته يتناسب طرديا مع مكعب المسافة المتوسطة من الشمس". تطبق على الأقمار الصناعية للأرض ، قانون كيبلر الثالث يشرح أنه كلما كان القمر الصناعي بعيدًا عن الأرض ، كلما استغرق إكمال المدار وقتًا أطول ، كلما زادت المسافة التي سيقطعها لإكمال مدار ، وأبطأ متوسط سرعته كن. طريقة أخرى للتفكير في ذلك هي أن القمر الصناعي يتحرك أسرع عندما يكون الأقرب إلى الأرض وأبطأ عندما يكون بعيدًا.