Wie lassen sich die Bewegungen von Planeten vorhersagen? Bewegen sich alle Planeten auf dieselbe Art? Auf diese Fragen fand Johannes Kepler eine Antwort. Die nach ihm benannten Kepler'schen Gesetze bieten sich sehr gut dafür an, um die Bewegungen von Planeten zu bestimmen. Ausserdem dienen diese Gesetze als Grundlage für das Newton'sche Gravitationsgesetz.
Die Kepler'schen Gesetze lauten:
1. Kepler'sches Gesetz-Ellipsenbahnen
Alle Planeten bewegen sich auf Ellipsenbahnen um die Sonne. In einem der beiden Brennpunkte von jeder Ellipsenbahn steht die Sonne.
2.Kepler'sches Gesetz-Flächensatz
Die gerade Verbindung zwischen Sonne und Planet überstreicht in gleichen Zeiten Δt gleiche Flächen ΔA.
3. Kepler'sches Gesetz-Umlaufzeiten
Innerhalb eines Planetensystems gilt für die grossen Halbachsen der Ellipsenbahnen ai und die Umlaufzeiten Ti sämtlicher Planeten:
T12a13=T22a23 bzw. T2a3=const.
Zum ersten Kepler'schen Gesetz-Eine Ellipsenbahn
Ellipsen sind Dir in der bisherigen Schulzeit vermutlich bisher noch nicht sehr oft begegnet, daher schauen wir uns zunächst einmal an, was eine Ellipse überhaupt ist.
Lange dachte man, dass sich die Planeten auf Kreisbahnen bewegen würden und als Annäherung kann man auch immer noch ganz gut davon ausgehen.
Tatsächlich sind die Planetenbahnen allerdings Ellipsen. Man kann sie beschreiben als lang gezogene Kreise.
Denn in Ellipsen sind die horizontal eingezeichneten Strecken vom Mittelpunkt zum Rand der Ellipse und die vertikal eingezeichnete Strecke vom Mittelpunkt der Ellipse zu dessen Rand im Allgemeinen nicht gleich lang. Die beiden Strecken nennt man die Halbachsen der Ellipsen. Es gibt eine grosse Halbachse und eine kleine Halbachse.
(Als Spezialfall, wenn die beiden Halbachsen gleich lang sind, erhält man einen Kreis.)
Die Sonne, oder allgemein gesprochen der Zentralkörper des Planetensystems, steht im Brennpunkt der Ellipse. Dieser ist nicht gleichzusetzen mit dem Mittelpunkt der Ellipse.
Ausserdem hat jede Ellipse zwei Brennpunkte. Man erhält die Brennpunkte, indem man vom Schnittpunkt der kleinen Halbachse mit der Ellipse eine Strecke abträgt, die genauso lang ist, wie die grosse Halbachse. Dort, wo sich diese Strecke mit der tatsächlichen Halbachse schneidet, befinden sich die Brennpunkte.
In einem der beiden Brennpunkte befindet sich nun die Sonne. Dort, wo der Abstand zwischen Sonne und Planet am kleinsten ist, steht der Planet im Perihel.
Dort, wo der Abstand zwischen der Sonne und dem Planeten am grössten ist, steht der Planet im Aphel.
Perihel und Aphel bezeichnen hier jeweils die grössten bzw. kleinsten Entfernungen zwischen der Sonne und dem Planeten.
Beispiel:
Wie sieht eigentlich die Ellipse der Erdenbahn aus?
Der Perihel der Erdenellipse beträgt rP=147,0568Mio.km=0,983AE
Der Aphel der Erdenellipse beträgt rA=152,1432Mio.km=1,017AE
Grosse Halbachse: a=149,6Mio.km=1AE
Kleine Halbachse: b=149,578Mio.km=0,99986AE
Hinweis:
1AE=149,6Mio.km bezeichnet die Einheit "Astronomische Einheit". Sie wurde an der grossen Halbachse der Erden-Ellipsenbahn festgemacht und dient als Vergleichsmassstab für kosmische Entfernungen.
Zum zweiten Kepler'schen Gesetz-Flächensatz
In gleichen Zeiten überstreicht der gedachte Fahrstrahl zwischen Planet und Zentralkörper gleiche Flächen. Doch was sagt das über die Geschwindigkeit des Planeten aus?
Da sich der Planet auf einer Ellipsenbahn befindet und nicht auf einer Kreisbahn, bewegt sich der Planet nicht immer gleich schnell.
Die Geschwindigkeit des Planeten wird jeweils grösser, wenn sich der Planet an die Sonne annähert und entsprechend wird die Geschwindigkeit kleiner, wenn der Planet sich wieder etwas von der Sonne entfernt.
Die unterschiedlichen Entfernungen zur Sonne und die unterschiedlich starken Anziehungskräfte resultieren dann logischerweise auch in einer unterschiedlichen Umlaufzeit für die einzelnen Teilsegmente.
Kepler hat allerdings den Zusammenhang zwischen den Teilflächen der Ellipse und der Umlaufzeit gefunden.
Dies wird auch noch einmal im folgenden Bild dargestellt:
Der Planet (hier als schwarzer Punkt dargestellt) braucht genau gleich lange, für die Strecken welche die Ränder der drei Flächen A1. A2 und A3 markieren.
Zum dritten Kepler'schen Gesetz-Umlaufzeiten
Das dritte Kepler'sche Gesetz gibt uns die Möglichkeit, die Umlaufzeit eines anderen Planeten zu bestimmen, wenn wir seine Bahngrösse (genauer gesagt: die grosse Halbachse der Bahn) kennen und wenn die Umlaufzeit und die Bahngrösse von einem anderen Planeten um denselben Zentralkörper bekannt sind.
Das dritte Kepler'sche Gesetz gibt uns eine Formel, welche genau diesen Zusammenhang verdeutlicht:
T12a13=T22a23
Dies wollen wir im Folgenden an einem kleinen Beispiel ansehen:
Beispiel:
Die Erde hat eine grosse Halbachse von aE=149,6Mio.km=1AE und eine Umlaufzeit um die Sonne von TE=1Jahr. Wenn nun der Jupiter eine grosse Halbachse hat von aJ=778,51Mio.km=5,204AE, wie lang dauert dann die Jupiter-Umlaufzeit (in Erdenjahren)?
Das 3. Kepler'sche Gesetz muss also nach der zweiten Umlaufzeit umgestellt werden:
Der Jupiter hat also eine Umlaufzeit von etwas mehr als 11 Erdenjahren.
Die Kepler-Konstante
Im Folgenden wird die Ellipsenbahn, auf welcher sich Planeten bewegen, als Kreisbahn angenähert. Dann kann man die Gravitationskraft gleichsetzen mit der Zentripetalkraft:
FZmE⋅v2⋅r1=FG=G⋅r2mE⋅mS
Setzt man dann die Gleichung für die Geschwindigkeit v in Abhängigkeit von der Bahngeschwindigkeit T ein, nämlich:
v=2π⋅r/T
Dann erhält man:
T24π2⋅r2⋅r1=G⋅r2mE⋅mS
Daraus kann man nun eine Formel aufstellen, die die Form des dritten Kepler'schen Gesetzes annimmt. Entsprechend ergibt sich die sogenannte Kepler-Konstante, CK
T2r3=G⋅4π2mS=CK=const.
Beispiel:
Die Kepler-Konstante der Sonne lässt sich berechnen, wenn man die Masse der Sonne kennt. Diese ist gegeben durch: m=1,98892×1030kg.
Der Zahlenwert der Kepler-Konstante gilt natürlich nur für unsere Sonne. Wenn eine Umlaufbahn von einem Planeten um einen anderen Himmelskörper berechnet werden soll, muss man die Kepler-Konstante für diesen Zentralkörper neu berechnen.
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Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Wie lautet das erste Keplersche Gesetz?
Die Planeten bewegen sich auf ellipsenförmigen Bahnen, wobei die Sonne im Brennpunkt der Ellipse steht.
Wie lautet das zweite Kepler'sche Gesetz?
Der (gedachte) Fahrstrahl, welchen man zwischen dem Planeten und der Sonne zeichnet überschreitet in gleichen Zeiten (Delta t) gleiche Flächen (Delta A).
Wie lautet das dritte Kepler'sche Gesetz?
Die grossen Halbachsen der Planetenbahnen (a) und deren Umlaufzeiten (T) von zwei Planeten 1 und 2, welche die selbe Sonne umkreisen, verhalten sich wie folgt zueinander:
(a1)^3/(T1)^2=(a2)^3/(T2)^2=Ck
Wobei Ck die Kepler-Konstante ist:
Ck=3,36*10^18 m^3/s^2=1 (AE)^3/(Jahr)^2