Keplerio dėsniai

Keplerio dėsniai – trys dėsniai, aprašantys planetų judėjimą. Juos, remdamasis danų astronomo Tycho Brahės Marso stebėjimo duomenimis, XVII a. pradžioje suformulavo vokiečių matematikas Johanas Kepleris (Johannes Kepler). Vėliau Izaokas Niutonas išvedė juos iš Niutono gravitacijos dėsnio. Publikavimo metu Keplerio pažiūros buvo revoliucinės: daugelis astronomų buvo įsitikinę, kad planetų orbitos turi būti taisyklingi apskritimai. Žinomiausių planetų orbitos nedaug skiriasi nuo apskritimų, todėl ne iš karto buvo akivaizdu, kad tai elipsės.

Pirmasis dėsnis 

Pirmasis Keplerio dėsnis: kiekviena planeta skrieja aplink Saulę elipse, kurios viename židinyje yra Saulė.
Elipsė yra figūra, primenanti ištemptą apskritimą. Svarbu atkreipti dėmesį, kad Saulė yra ne elipsės centre, o viename iš jos židinių. Kitas elipsės židinys fizikinės prasmės neturi. 
Kiek daug elipsė yra ištempta, apibūdina fizikinis dydis, vadinamas ekscentricitetu, kuris gali įgyti reikšmes nuo 0 (apskritimas) iki  1 (parabolė).
Matematiškai, elipsę labai patogu aprašyti naudojantis poline koordinačių sistema:

kur (r, θ) yra elipsės cilidrinės koordinatės, jos židinį laikant atskaitos tašku, p yra pusė atkarpos, jungiančios elipsės taškus, einančios per elipsės židinį (šiuo atveju – Saulę), ir statmenos elipsės ilgajam pusašiui, o  ε yra elipsės ekscentricitetas. Planetai, skriejančiai apie Saulę, r yra jos atstumas iki Saulės, o θ yra kampas tarp planetos dabartinės padėties ir jos perihelio, Saulė kampo viršūnėje.

Kai θ = 0°, perihelyje, atstumas yra mažiausias.
  

Kai θ = 90° ir kai θ = 270°, atstumas yra .

Kai θ = 180°, afelyje, atstumas yra didžiausias.

  
Didysis pusašis a yra rmin ir rmax aritmetinis vidurkis:

Mažasis pusašis b yra  rmin ir  rmax geometrinis vidurkis:

p yra  rmin ir rmax harmoninis vidurkis:

Ekscentricitetas gali būti apskaičiuotas kaip

Antrasis dėsnis 

Antrasis Keplerio dėsnis: planetos spindulys-vektorius per lygius laiko tarpus apibrėžia lygius plotus.
Įrodymas:
Per mažą laiko tarpą  planeta nubrėš trikampį, kurio pagrindas , o aukštis .
Šio trikampio plotas .
Tada planetos sektorinis greitis 
Kadangi planetą traukia centrinis kūnas - Saulė, planetą veikiantis jėgos momentas lygus 0 - jėga ir jos petys yra tos pačios krypties.
Taigi yra išsaugomas planetos judesio kiekio momentas 
Vadinasi,

Trečiasis dėsnis 

Trečiasis Keplerio dėsnis: planetų skriejimo aplink Saulę žvaigždinių periodų kvadratai proporcingi jų orbitų didžiųjų pusašių kubams.

čia  ir  - kosminių kūnų, skriejančių aplink centrinį kūną, orbitų didieji pusašiai,  ir  skriejimo aplink centrinius kūnus periodai.

Žinant centrinio kūno masę, periodą galima apskaičiuoti taip:
,
čia  - centrinio kūno masė,  - gravitacijos konstanta.

Apibendrintasis trečiasis Keplerio dėsnis (išvestas vėliau matematiškai, Izaoko Niutono) teigia:

čia  ir  - kosminių kūnų, skriejančių aplink tą patį centrinį kūną, orbitų didieji pusašiai,  ir  skriejimo aplink centrinius kūnus periodai,  - centrinio kūno masė,  ir  - aplink jį skriejančių kūnų masės. Kadangi visoms Saulės sistemos planetoms galioja , galima neatsižvelgti į planetų mases išraiškoje (prilyginant jas nuliui), taip sugrįžtant prie pradinės trečiojo Keplerio dėsnio išraiškos.

Dangaus mechanika