De motu corporum in gyrum

De motu corporum in gyrum ("Yörüngedeki cisimlerin hareketi"), Isaac Newtonun 1684 Kasımında Edmond Halleye gönderdiği el yazısı müsveddelerin tahmin edilen başlığıdır. Newton bu müsveddeleri, Halleyin Newtonu problemler üzerine sorguladığı ve Halleyin fikirleri ve Sör Christopher Wren ile Robert Hooke dahil, onun Londradaki bilimsel camiası hususlarında fikir jimnastiğinin yapıldığı o yıl içinde daha önce Halley tarafından yapılan bir ziyareti takiben göndermiştir.
Günümüzde orijinal doküman kayıp olduğundan bu dokümanın başlığı ancak tahmin edilebilmektedir. İçeriği iki çağdaş kopya ve bir taslak halinde geride kalan dokümanlardan çıkarılabilmiştir. Sadece taslağın bugün kullanılan başlığı vardır; diğer iki kopyanın başlıkları yoktur.[1]
Bu el yazısı müsveddeler (Kısaca De Motu, ancak Newtonun aynı kelimelerle başlayan çok sayıdaki diğer makalelerinin başlıklarıyla karıştırılmaması gerekir) günümüzde "Kepler yasaları" (Newtonun çalışmasından önce, bunlar genel anlamda yasa olarak kabul edilmiyorlardı)[2] olarak bilinen üç bağıntıyla ilgili önemli matematik türevlerini ortaya koymuştur. Halley, 10 Aralık 1684te Newtondan gelen iletileri Kraliyet Derneğine rapor etmiştir. Newton, Halley'in teşvikleri sonucunda, De Motuda görülebilecek- hemen hemen tüm içerik Principiada da yer almaktadır- bir nüveden Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Principia olarak bilinir) isimli kitabını geliştirmiş ve yazmıştır.
İçerik
De Motunun geride kalan kopyalarından biri Kraliyet Derneğinin kayıtlarına girilerek oluşturulmuş olup, Latince metni internet ortamında mevcuttur.[3]
Principada tekrar yer alan De Motunun içeriğiyle ilgili çapraz referans kolaylığı için Principanın İngilizce tercümesi[4] ile Latincesi de internet ortamında mevcuttur.[5]
De motu corporum in gyrum, farklı bölümlerinin içerikleri burada gösterilebilecek kadar kısadır. Teoremler ve sorunlar etiketli, bazılarının sonuçları da bulunan 11 önerme içermektedir. Bu çekirdek konuya erişmeden önce, Newton işe bazı ön hazırlıklarla başlamıştır:
3 Tanımlar:
1: 'Merkezcil kuvvet' (Bu terim Newtondan kaynaklanmış ve ilk ortaya çıkışı bu dokümanda olmuştur), bir cismi merkez olarak kabul edilen bir noktaya iter veya çeker. (Bu husus, Principia Tanım 5'te tekrar yer alır)
2: 'İç Kuvvet', bir cismin İç kuvveti, eylemsizlik ve Newtonun birinci yasası fikrine hazırlık olacak şekilde tanımlanmıştır; (bir cisim, dış kuvvetin yokluğu halinde, düz bir çizgi üzerinde hareket halini eylemsiz veya tekbiçimli hareket olarak sürdürür). (Principia Tanım 3 benzerdir)
3: 'Direnç': harekete düzenli olarak engel olan bir ortam özelliğidir.
4 Hipotezler:
1: Newton, aşağıda yer alan ilk 9 önermede direncin sıfır, ve geri kalan (2) önermede ise direncin hem cismin hızı ve hem de ortam yoğunluğuyla orantılı olduğunun kabul edildiğini belirtir.
2: İç kuvvetle (tek başına), dışarıdan engellenmedikçe, herkes düz bir çizgi üzerinde tekbiçimli olarak sonsuza ilerleyebilir.(Newtonun daha sonraki birinci hareket yasası, Principia Yasa 1 ile benzer etkidedir.)
3: Kuvvetler paralelogram kuralı ile birleşirler. Newton onları günümüzün vektörleri gibi işler. Bu husus, Principiada hareketin üçüncü yasası olan Yasa 3'te, Sonuç 1 ve 2de tekrar yer alır.
4: Merkezcil kuvvet etkisinin başlangıç momentlerinde, uzaklık zamanın karesiyle orantılıdır. (bu bağlam Newtonun burada sonsuzküçükler veya onların sınırlayıcı orantıları ile uğraştığını gösterir.) Bu, Principia, Kitap 1, Yardımcı Önerme 10da tekrar yer alır.
Daha sonra, iki hazırlık noktası daha gelir:
2 Yardımcı Önermeler:
1: Newton kısaca, farklı oranlarda sürekli bileşkeler ortaya koymaktadır:
Eğer A/(A-B) = B/(B-C) = C/(C-D) vs. ise, o zaman A/B = B/C = C/D vs. olur.
2: Belli bir elipse (anlaşılması için: eşlenik çapların uç noktalarında) değen bütün paralelogramlar alan olarak eşittir.
Sonra Newtonun teoremler, problemler, sonuçlar ve açıklamalar olarak tanımlanan ana konusu gelir:
Teorem 1
Teorem 1 yörüngedeki bir cismin tek bir merkezcil kuvvete tabi olduğunda, cisimden çekim merkezine çizilen bir yarıçap vektörünün, eşit alanları eşit zamanda (merkezcil kuvvet uzaklığa bağlı olarak ne kadar da değişse) dışarıya süpürdüğünü gösterir. (Newton bu türev için, yarıçap vektörü tarafından süpürülen alanın üçgen parçalara bölündüğü, geometrik formda sonsuzküçükler hesabının limit argümanını kullanır[6] - De Motunun sonraki kanıtlamalarında ve daha sonraki Principianın birçok bölümünde yaptığı gibi-. Bunlar, sayıları sınırsız olarak artarken, münferit olarak sıfıra doğru gittiği düşünülen küçük ve azalan ebattadırlar.) Bu teorem, Principia Teorem 1 Önerme 1de daha geniş bir açıklamayla tekrar yer alır.
Teorem 2
Teorem 2 dairesel bir yörüngede hareket eden bir cismin, herhangi bir zaman diliminde, merkezcil kuvvetin (çekim merkezi işlevini gören dairenin merkezine yönlenmiş) geçilen ark uzunluğunun karesiyle orantılı ve çapıyla tersine orantılı olduğunu kabul eder (Bu konu Pricipia Teorem 4 Önerme 4'te tekrar görünür, buradaki sonuçlar da tekrar yer alır.)
Sonuç 1 merkezcil kuvvetin, V yörüngesel hız ve R dairesel çap olan, V2/R ile orantılı olduğuna işaret eder.
Sonuç 2 bunu daha farklı bir biçimde ortaya koyar ve, merkezcil kuvvetin, P yörünge periyodu olan, (1/P2) R ile orantılı olduğunu gösterir.
Sonuç 3 eğer P2 R ile orantılı ise, merkezcil kuvvetin Rden bağımsız olacağını gösterir.
Sonuç 4 eğer P2 R2 ile orantılı ise, merkezcil kuvvetin 1/R ile orantılı olacağını gösterir.
Sonuç 5 eğer P2 R3 ile orantılı ise, merkezcil kuvvetin 1/(R2) ile orantılı olacağını gösterir.
Bir açıklama Sonuç 5 ilişkisinin (yörünge periyodunun karesi yörünge büyüklüğünün küpüne orantılı) Güneşin çevresinde yörüngelerindeki gezegenlere ve Jüpiterin yörüngesindeki Galile uydularına uygulandığının gözlemlendiğine işaret eder.
Teorem 3
Teorem 3 yok denecek kadar küçük doğru parçası oranları içeren, başka bir geometrik limit argümanı kullanarak, merkezcil kuvveti dairesel olmayan bir yörüngede değerlendirir. Kanıtlama, yörünge eğriliğinin sanki sonsuz küçük arklardan yapılmış gibi değerlendirilmesi ve herhangi bir noktadaki merkezcil kuvvetin hız ve lokal sonsuzküçük arkın eğriliğinden değerlendirilmesine kadar iner. Bu konu Pricipiada Kitap 1 Önerme 6 olarak tekrar ortaya çıkar.
Bir sonuç belli bir yörünge biçimi ve merkez için merkezcil kuvvetin belirlenmesinin nasıl mümkün olduğunu gösterir.
Problem 1 çekim merkezinin dairenin çevresi üzerinde olduğunu varsayarak, bir dairesel yörünge durumunu inceler. Bir açıklama yörüngedeki bir cismin böyle bir merkeze ulaşması halinde, tanjant boyunca sapacağına işaret eder (Principia, Önerme 7)
Problem 2 çekim merkezi kendi merkezinde olan bir elipsi inceler ve merkezcil kuvvetin bu konfigürasyonda hareket üretmesi için yarıçap vektörüyle doğrudan orantılı olacağını bulur. (Bu materyal Principiada Önerme 10, problem 5'tir)
Problem 3 yine elipsi inceler ama bu durumda çekim merkezi odak noktalarından birindedir. "Bir elipsin yörüngesinde dönen bir cisim: Elipsin bir odak noktasına yönlenen merkezcil kuvvet yasası gerektirir." Burada, Newton bu konfigürasyonda hareket üretecek merkezcil kuvvetin yarıçap vektörünün karesiyle tersine orantılı olacağını bulur. (Tercümesi: Bu nedenle merkezcil kuvvet karşılıklı olarak L X SP2 olup, (karşılıklı olarak) uzaklığın iki katı oranındadır [yani karesi]...). Bu Principiada Önerme 11dir.
Bir açıklama Problem 3ün gezegen yörüngelerinin Güneşin bir odak noktasında yer aldığı elipsler olduklarını kanıtladığına işaret eder. (Tercümesi: Bu nedenle, her birlikte Keplerin varsaydığı gibi, büyük gezegenler, Güneşin merkezinde bir odak noktası olan elipsler halinde yörüngede dönerler, ve yarıçapları (vektörleri) Güneşe doğru çizildiğinde, (Latince: omnino) zamanlara orantılı alanları tariflerler.) (Bu sonuca, Teorem 1 Sonuç 5'te dikkate alınan, yörüngesel dönemin karesi ile yörünge boyutunun küpü arasında gözlemlenen oransallığın ilk gerçek olarak alınmasından sonra varılmıştır.) (Bu sonucun inandırıcılığına ilişkin bir tartışma aşağıda belirtilmiştir.) Problem 3ün konusu Principiada Problem 6, Öneri 11dir.
Teorem 4
Teorem 4 yarıçap vektörünün karesine tersine orantılı bir merkezcil kuvvet ile, belli bir ana ekseni olan eliptik bir yörüngedeki cismin dolanım zamanının, o ana eksenle çapı aynı olan dairesel bir yörüngedeki cisim için de aynı olduğunu gösterir (Principia Önerme 15.)
Bir açıklama bunun gezegen elipslerinin ve odak noktalarının yerlerinin dolaylı ölçümlerle belirlenmesini mümkün kılacağına işaret etmektedir.
Problem 4 merkezcil kuvvetin ters kare yasası durumu için, yörünge elipsinin, belli bir başlama pozisyonu, hız ve yön için nasıl belirleneceğini inceler. Newton burada, hızın yeterince yüksek olması halinde, yörüngenin artık elips olmayacağına, bunun yerine parabol veya hiperbol olacağına dikkat çeker. Ayrıca, özkirişin hesaplanan büyüklüğüne dayalı olarak, yörüngedeki cismin merkeze en yakın yaklaştığındaki uzaklığa oranla, eliptik durum ile diğerleri arasındaki ayrım için geometrik kriterleri tanımlar. (Principia Önerme 17.)
Bir açıklama kuyrukluyıldız yörüngelerinin tanımlanmasına imkan vermesi ve yörüngelerin eliptik olması halinde bunların dönemleri ve dönüşlerinin tahminini mümkün kılmasının bu gösterimin bonusu olduğuna dikkat çeker. Bunun uygulanmasındaki bazı pratik zorluklar da tartışılmıştır.
Son olarak, herhangi bir ortamdan gelen sıfır dirence dayalı önerme serilerinde, Problem 5, doğrusal bir çizgiye doğru düşen veya çekim merkezinden fırlayan bozulmuş bir eliptik yörüngeyi tartışır. (Principia Önerme 32.)
Bir açıklama atmosferik direncin sıfır kabul edilebilmesi halinde, Problem 4 ve 5in atmosferdeki roketlere veya ağır cisimlerin düşüşüne nasıl uygulanacağını gösterir.
Son olarak, Newton, ilk önce bir düz çizgide direncin eylemsiz hareket üzerindeki etkilerini dikkate alarak (Problem 6) ve sonra da (Problem 7) direnç ile tek biçimli merkezcil bir kuvvetin homojen bir ortamda merkeze doğru/merkezden uzak hareket üzerindeki birleşik etkilerini dikkate alarak, atmosferik direncin mevcut olduğu durumun sonuçlarını genişletmeye çalışır. Her iki problem de hiperbolik yapılar kullanılarak gerometrik olarak ele alınır. Bu son iki Problem Principianın 2. Kitabında Öneri 2 ve 3 olarak tekrar yer alır.
Son bir açıklama, Problem 6 ve 7nin atmosferdeki roketlerin hareketlerinin yatay ve düşey bileşenlerine nasıl uyarlanabileceğini gösterir (bu durumda yer yuvarlağını ihmal ederek.)
İçerik üzerine yorumlar
De Motu içinde bazı noktalarda, Newton, uygulamada zıt görüşleri de kanıtlanmış kabul edilerek temel alınan bazı hususları esas almaktadır. Bu husus özellikle Problem 3e ilişkin olarak ortaya çıkmaktadır. Newtonun tüm yazılarındaki gösterim biçimi yer yer oldukça kısadır; bazı adımların tartışmasız veya aşikar kabul edileceğini varsaydığı görülmektedir. De Motuda, Principianın ilk basımında olduğu gibi, Newton, zıddın kanıtlarının genişletilmesi için özellikle bir dayanak belirtmemiştir. Burada zıddın kanıtı, teklik bir ilişki bulunduğundan aşikar olmasına dayanmaktadır, yani belli bir düzende, sadece tek bir yörünge, belirli ve belirtilen bir kuvvet/hız/başlama pozisyonu grubuna karşılık gelir. Newton, yaşamı boyunca yapılan bu çeşit eleştirilere cevap olarak, Principianın ikinci baskısına, Önerme 11-13e Sonuç olarak bu çeşit bir ifade eklemiştir.[7]
Bu genişletmelerin zıddına ne kadar uzak olduğu ve ilişkili teklik ifadelerinin tartışmasız ve aşikar olup olmadığı sorusu üzerine önemli bir bilimsel tartışma mevcuttur. (zıdların gerçek olup olmadığı, veya Newton tarafından belirtilip belirtilmediği hakkında bir öneri yoktur, tartışma Newtonun kanıtlarının tatminkar olup olmadığı üzerinedir.)[8][9][10]
Halley'in Sorusu
Edmund Halleyin 1684te Newtonu ziyaretinin detaylarını sadece otuz kırk yıl sonraki hatıratlardan biliyoruz. Bu hatıratların birine göre, Halley Newtona ".. diyelim ki Güneşe doğru çekim kuvveti ona olan uzaklıklarının karesinin tersi olsun, sence gezegenlerin eğrisi ne olurdu." diye sormuştur.[11]
Bu sorunun başka bir versiyonu otuz yıl kadar sonra Newtonun kendisi tarafından verilmiştir: Halleyin kendisine "Gezegenlerin kendi orblarında Güneş hakkında nasıl bir şekil tanımladıklarını bilmeyi kanıtım için çok arzu ederdim" [12] demişti. Her ikisi de eski hatıralardan üretilen bu farklı raporlar ışığında, Halleyin tam olarak hangi kelimeleri kullandığını bilmek zordur.
Bazen, Newtonun Halleyin sorusundan farklı bir soruya cevap vermiş olduğu ileri sürülür ancak bu noktada kesin bir şey söylemek mümkün değildir.
Robert Hooke'un Rolü
Newton, 1686da, 1679/80 yıllarında Robert Hooke ile yaptığı yazışmaların 1679/80 yıllarında gök cisimlerine ilişkin araştırmalarını genişletme konusundaki ilk teşvik olduğunu kabul etmiştir.[13]
Hooke 1679 Kasımında Newtona yazarak kendisinin Kraliyet Derneğinin yazışmalarını yönetmek üzere görevlendirildiğini bildirmiş ve karşılıklı yazışmaya başlamışlardır.[14] Hooke, bu görevi nedeniyle dernek üyelerinden araştırmalarıyla ilgili bilgi almak veya diğerlerinin araştırmaları hakkındaki görüşlerini öğrenmek istiyordu. Hooke, Newtonun ilgisini uyandırmak için kendisine çeşitli konular hakkında ne düşündüğünü sordu ve bir liste vererek, "Tanjant tarafından doğrudan hareketli ve merkezi cisme doğru çekim hareketli gezegenlerin gökyüzü hareketlerinin birleştirilmesi" ve "Benim esneklik yasaları ve sebeplerine ilişkin hipotezim" ve gezegenlerin hareketlerine ilişkin Paristen yeni bir hipotez (Hooke geniş bir biçimde tarif etmişti) ve ulusal araştırmaların yapılması veya iyileştirilmesi çabaları, Londra ve Cambridge arasındaki enlem farkı ve diğer hususlardan bahsetti. Newton, düşen bir cismi kullanarak Dünyanın hareketinin belirlenmesiyle ilgili olarak "benim kendi düşüm" şeklinde bir cevap vermişti. Hooke Newtonun düşen bir cismin nasıl hareket edebileceğine ilişkin fikrine karşı çıkmış ve aralarında kısa bir yazışma olmuştur.
Daha sonra, 1686da Newtonun Principiası Kraliyet Derneğine sunulduğunda, Hooke aralarındaki bu yazışmalar nedeniyle, Principiada yer alan Newtonun bazı görüşleriyle ilgili kendisine pay çıkardı, ve Newtonun ters-kare çekim yasası fikrini kendisine borçlu olduğunu söyledi. Ancak, Hooke Newtonun ters kare yasası temelinde kanıtladığı eğriler ve yörüngeler için herhangi bir pay iddiasında bulunmamıştı.[15]
Bu hususu Halleyden duyan Newton, Halleye yazdığı mektuplarında Hookeun iddiasını reddetti ve sadece tek bir kez ilgi uyandıran bir durumun söz konusu olduğunu kabul etti.[15] Newton, Güneşten gelen uzaklığa ters kare orantılı bir çekim kuvveti bulunduğunu öneren (ancak kanıtlanmamış) Ismaël Bullialdus ile gezegenlerin elips hareketlerine neden olan yerçekimi veya manyetizm gibi Güneşe doğru bir yönelim olduğunu öneren (yine kanıtlanmamış) Giovanni Alfonso Borelli gibi bazı diğer kişilerin daha önceki çalışmalarını kabul etti ancak Hookeun iddia ettiği hususların, ya Newtonun kendisi, veya Bullialdus ve Borelli gibi kendisinden daha öncekilerden kaynaklandığını, ama Hookedan kaynaklanmadığını söyledi. Wren ve Halley, Hookeun daha önce ters kare yasası kapsamında gezegen hareketlerinin bir türevine sahip olduğunu iddia ettiğini ancak bir ödül teşviki altında bile bunu göstermeyi başaramadığını hatırladıklarından Hookeun iddialarına karşı şüpheyle yaklaşmışlardı.[15]
Kendisinin de kabul ettiği gibi, teşvik dışında Newtonun, Hookedan gerçekte ne kazanmış olabileceğine ilişkin bir bilimsel tartışma olmuştur.[16]
Newtonun 1727 yılında ölümünden 30 yıl kadar sonra, Newtonun yerçekimiyle ilgili çalışmaları alanındaki erken ve seçkin haleflerinden birisi olan Alexis Clairaut, Hookeun çalışmasını inceledikten sonra "Kısa bir an görünür olan gerçekle, kanıtlanan gerçek arasında ne kadar mesafe var" diye yazmıştır.[17]