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DESCOBERTAS CIENTÍFICAS MAIS IMPORTANTES
As leis do movimento planetário. História e essência da descoberta científica
Diretório / As descobertas científicas mais importantes Os planetas, por seus movimentos aparentemente complexos, desempenharam um papel decisivo na astronomia e em geral na construção dos fundamentos da mecânica e da física. Mesmo os antigos astrônomos gregos levantaram a questão se os movimentos complexos observados no céu são apenas um reflexo dos movimentos mais regulares dos planetas no espaço. A partir deste momento começa a construção teórica dos esquemas do sistema planetário, ou, como dissemos acima, a cinemática dos movimentos planetários no espaço. Um dos primeiros copernicanos, o matemático e astrônomo alemão Erasmus Reingold (1511–1553) compilado em 1551, baseado no sistema heliocêntrico Copérnico, tabelas do movimento dos planetas, que ele chamou de "Tabelas Prussianas". Essas tabelas se mostraram mais precisas do que todas as anteriores, baseadas em esquemas antigos, e isso contribuiu muito para o fortalecimento da ideia de heliocentrismo, que com grande dificuldade percorre as visões que se estabelecem há séculos e familiar para aqueles tempos, bem como superar a pressão ideológica reacionária da igreja. No entanto, os astrônomos logo descobriram uma discrepância entre essas tabelas e os dados observacionais sobre o movimento dos corpos celestes. Para os cientistas avançados, estava claro que os ensinamentos de Copérnico estavam corretos, mas era necessário investigar mais profundamente e descobrir as leis do movimento planetário. Este problema foi resolvido pelo grande cientista alemão Kepler. Johannes Kepler (1571-1630) nasceu na pequena cidade de Vejle, perto de Stuttgart. Kepler nasceu em uma família pobre e, portanto, com grande dificuldade, conseguiu terminar a escola e entrar na Universidade de Tübingen em 1589. Aqui ele estudou matemática e astronomia com entusiasmo. Seu professor, o professor Mestlin, era secretamente um seguidor de Copérnico. Claro, na universidade, Mestlin ensinou astronomia de acordo com Ptolomeu, mas em casa ele apresentou ao aluno o básico do novo ensino. E logo Kepler tornou-se um fervoroso e ferrenho defensor da teoria copernicana. Ao contrário de Maestlin, Kepler não escondeu suas opiniões e crenças. A propaganda aberta dos ensinamentos de Copérnico logo provocou nele o ódio dos teólogos locais. Mesmo antes de se formar na universidade, em 1594, Johann foi enviado para ensinar matemática em uma escola protestante na cidade de Graz, capital da província austríaca da Estíria. Já em 1596 publica O Mistério Cosmográfico, onde, aceitando a conclusão de Copérnico sobre a posição central do Sol no sistema planetário, tenta encontrar uma ligação entre as distâncias das órbitas planetárias e os raios das esferas, em que se encontram poliedros regulares. inscritos em uma determinada ordem e em torno do qual são descritos. Apesar de esta obra de Kepler ainda ser um modelo de sofisticação escolástica, quase científica, trouxe fama ao autor. O famoso astrônomo-observador dinamarquês Tycho Brahe (1546-1601), que era cético em relação ao esquema em si, prestou homenagem ao pensamento independente do jovem cientista, conhecimento de astronomia, habilidade e perseverança nos cálculos e expressou o desejo de conhecê-lo. A reunião que ocorreu mais tarde foi de excepcional importância para o desenvolvimento da astronomia. Em 1600, Brahe, que chegou a Praga, ofereceu a Johann um emprego como seu assistente para observações do céu e cálculos astronômicos. Pouco antes disso, Brahe foi forçado a deixar sua terra natal, a Dinamarca, e o observatório que lá construiu, onde realizou observações astronômicas por um quarto de século. Este observatório estava equipado com os melhores instrumentos de medição, e o próprio Brahe era um observador mais habilidoso. O cientista estava muito interessado nos ensinamentos de Copérnico, mas não era um defensor. Ele apresentou sua própria explicação da estrutura do mundo: ele reconheceu os planetas como satélites do Sol, e considerou o Sol, a Lua e as estrelas como corpos girando em torno da Terra, atrás dos quais, portanto, a posição do centro de todo o Universo foi preservado. Brahe não trabalhou com Kepler por muito tempo: ele morreu em 1601. Após sua morte, Kepler começou a estudar os materiais restantes com dados de observações astronômicas de longo prazo. Trabalhando neles, especialmente em materiais sobre o movimento de Marte, Kepler fez uma descoberta notável: ele derivou as leis do movimento planetário, que se tornaram a base da astronomia teórica. O ponto de partida de Kepler foi uma comparação entre teoria e observação. O fato é que, no final do século XVI, as tabelas prussianas, compiladas, como mencionado acima, começaram a prever o movimento dos planetas de maneira muito imprecisa. As posições dos planetas observados e calculados a partir dessas tabelas diferiam em 4-5 graus , o que era inaceitável na prática astronômica. Disso se seguiu que a teoria planetária de Copérnico precisava ser corrigida e suplementada. No início, Kepler seguiu o caminho de refinar e complicar o esquema copernicano. Claro, ele estava profundamente convencido da verdade do princípio do heliocentrismo e começou a selecionar novas combinações de círculos (epiciclos, excêntricos). Ele conseguiu pegar, no final, tal combinação que seu esquema deu um erro em comparação com observações de até 8 minutos. Mas Kepler tinha certeza de que Tycho Brahe não poderia cometer tais erros em suas observações. Portanto, Kepler concluiu que a teoria era "culpada" porque não concordava com a prática astronômica. Abandonou completamente o esquema baseado em epiciclos e excêntricos e começou a procurar outros esquemas. Kepler chegou à conclusão sobre a incorreção da opinião estabelecida desde a antiguidade sobre a forma circular das órbitas planetárias. Por cálculos, ele provou que os planetas não se movem em círculos, mas em elipses - curvas fechadas, cuja forma é um pouco diferente de um círculo. Ao resolver este problema, Kepler teve que enfrentar um caso que, de um modo geral, não poderia ser resolvido pelos métodos da matemática das constantes. A questão foi reduzida ao cálculo da área do setor do círculo excêntrico. Se este problema for traduzido para a linguagem matemática moderna, chegaremos a uma integral elíptica. Kepler, claro, não conseguiu dar uma solução para o problema em quadraturas, mas não recuou diante das dificuldades que surgiram e resolveu o problema somando um número infinitamente grande de infinitesimais "atualizados". Essa abordagem para resolver um problema prático importante e complexo representou nos tempos modernos o primeiro passo na pré-história da análise matemática. A primeira lei de Kepler sugere que o Sol não está no centro da elipse, mas em um ponto especial chamado foco. Daí resulta que a distância do planeta ao Sol nem sempre é a mesma. Como a elipse é uma figura plana, a primeira lei implica que cada planeta se move enquanto permanece no mesmo plano o tempo todo. A segunda lei soa assim: o vetor raio do planeta (ou seja, o segmento que liga o Sol e o planeta) descreve áreas iguais em intervalos de tempo iguais. Esta lei é muitas vezes chamada de lei das áreas. A segunda lei indica, em primeiro lugar, a mudança na velocidade do planeta em sua órbita: quanto mais próximo o planeta se aproxima do Sol, mais rápido ele se move. Mas esta lei realmente dá mais. Ele determina inteiramente o movimento do planeta em sua órbita elíptica. Ambas as leis de Kepler tornaram-se propriedade da ciência desde 1609, quando sua famosa "Nova Astronomia" foi publicada - uma apresentação dos fundamentos da nova mecânica celeste. No entanto, o lançamento desta notável obra não atraiu de imediato a devida atenção: mesmo o grande Galileu, aparentemente, até o final de seus dias não aceitou as leis de Kepler. Kepler sentiu intuitivamente que existem padrões que conectam todo o sistema planetário como um todo. E ele tem procurado por esses padrões nos dez anos que se passaram desde a publicação da Nova Astronomia. A fantasia mais rica e o grande zelo levaram Kepler à sua chamada terceira lei, que, como as duas primeiras, desempenha um papel crucial na astronomia. Kepler publica "Harmony of the World", onde formula a terceira lei dos movimentos planetários. O cientista estabeleceu uma relação estrita entre o tempo de revolução dos planetas e sua distância do Sol. Descobriu-se que os quadrados dos períodos de revolução de quaisquer dois planetas ao redor do sol estão relacionados entre si como os cubos de suas distâncias médias do sol. Esta é a terceira lei de Kepler. "A terceira lei de Kepler desempenha um papel fundamental na determinação das massas de planetas e satélites", escrevem E.A. Grebennikov e Yu.A. Ryabov em seu livro. "De fato, os períodos de revolução dos planetas ao redor do Sol e suas distâncias heliocêntricas são determinados usando observações de métodos matemáticos especiais de processamento, e as massas dos planetas não podem ser obtidas diretamente de observações. Não temos escalas cósmicas grandiosas à nossa disposição, em uma tigela da qual colocaríamos o Sol e nos outros planetas. Terceira lei de Kepler compensa a ausência de tais escalas cósmicas, pois com sua ajuda podemos determinar facilmente as massas dos corpos celestes que formam um único sistema. As leis de Kepler também são notáveis porque são, por assim dizer, mais precisas do que a própria realidade. Eles representam as leis matemáticas exatas do movimento para um "sistema solar" idealizado no qual os planetas são pontos materiais de massa infinitamente pequena em comparação com o "Sol". Na realidade, os planetas têm uma massa apreciável, de modo que em seu movimento real há desvios das leis de Kepler. Esta situação ocorre no caso de muitas leis físicas atualmente conhecidas. Hoje podemos dizer que as leis de Kepler descrevem com precisão o movimento do planeta dentro da estrutura do problema de dois corpos, e nosso sistema solar é um sistema multiplanetário, então essas leis são apenas aproximadas para ele. Também é paradoxal que seja para Marte, cujas observações levaram à sua descoberta, que as leis de Kepler são menos precisas. O trabalho de Kepler na criação da mecânica celeste desempenhou um papel importante na aprovação e desenvolvimento dos ensinamentos de Copérnico. Ele preparou o terreno para pesquisas posteriores, em particular para a descoberta Newton lei da gravitação universal. As leis de Kepler ainda mantêm seu significado: tendo aprendido a levar em conta a interação dos corpos celestes, os cientistas as usam não apenas para calcular os movimentos dos corpos celestes naturais, mas, mais importante, também dos artificiais, como naves espaciais, testemunhas do surgimento e aperfeiçoamento do que é a nossa geração. Autor: Samin D. K.
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