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ケプラーの 3 法則と楕円軌道から静止衛星まで

惑星がどう動くかを、ケプラーは つの法則にまとめました。観測の記録から規則を読みとった結果であり、力の概念はまだ使っていない。

万有引力からこの つを導くまでには、そこからおよそ 年かかった。

1609
第一法則と第二法則

『新天文学』で発表。ティコ・ブラーエが残した火星の観測記録を解析して得られた。

1619
第三法則

『世界の調和』で発表。周期と軌道の大きさを結ぶ関係を見つけるまでに、さらに 年かかった。

第一法則:軌道は楕円

惑星の軌道は楕円で、太陽は つの焦点の片方にあります。

円ではありません。中心に太陽があるのでもない。焦点にあるので、太陽に近づく時期と遠ざかる時期が生まれる。

それまでの天文学は、円と円の組み合わせで惑星の動きを説明しようとしていました。楕円を持ち出したところが、この法則の切れ味。

楕円のつぶれ方

楕円のつぶれ具合を表す量を離心率といいます。 なら円、 に近づくほど細長くなる。

太陽系の惑星は、どれも離心率が小さい。地球の軌道は円にかなり近く、図で見るとほとんど区別がつきません。

それでも焦点の位置はずれている。近い時期と遠い時期の差が、速さの変化を生む。

第二法則:面積速度が一定

太陽と惑星を結ぶ線分が、同じ時間に同じ面積を掃きます。この面積の増え方を面積速度という。

近いところでは線分が短いので、同じ面積を稼ぐには長い弧を進む必要がある。つまり速く動く。

遠いところでは線分が長く、少し進むだけで面積が稼げる。だからゆっくり動く。

第二法則は角運動量保存則である

面積速度が一定になる理由は、力の向きにあります。万有引力は太陽と惑星を結ぶ線に沿って働く。

中心を向く力は、太陽のまわりに回す力のはたらきを持ちません。回転させる能力が加わらないので、角運動量が変わらない。

面積速度は角運動量を で割った量です。角運動量が保存すれば、面積速度も一定になる。

第二法則は楕円に固有の性質ではありません。中心を向く力であれば、どんな力でも成り立つ。

第三法則:周期の 2 乗と半長軸の 3 乗

公転周期の 乗は、軌道の半長軸の 乗に比例します。

つの惑星で比べれば、次の形になる。

遠い惑星ほど 周に時間がかかる。距離が 倍なら周期は 倍になる。

例:惑星の数値で確かめる

半長軸を天文単位、周期を日で表した値を並べます。

惑星半長軸 a周期 T
水星0.3871087.9693
金星0.72333224.7008
地球1.00000365.2564
火星1.52366686.9796
木星5.203364332.8201
土星9.5370710775.599

地球について を計算する。

木星でも試す。

距離が 倍以上違っても、同じ値が出ます。水星から土星まで、どの惑星でも 前後に収まる。

比例定数の正体

ニュートンの万有引力から導くと、比例定数の中身がわかります。

は中心の天体の質量です。惑星の質量 は太陽に比べて小さいので、ふつうは無視する。

定数が中心の天体だけで決まる点が要です。だからこそ、どの惑星でも同じ値になる。

太陽を回る天体と地球を回る衛星では、定数が違います。 が変わるからです。

円軌道で導いてみる

楕円で導くと手間がかかるものの、円軌道なら数行で済む。万有引力が向心力になるとおく。

両辺の が消え、 を整理すると第三法則の形が出る。

半長軸 を半径 に読み替えただけの式です。円は離心率 の楕円なので、特別な場合にあたる。

逆 2 乗だから成り立つ

第三法則が成り立つのは、引力が距離の 乗に反比例するからです。

指数が でなければ、 と の関係は別の形になる。逆にいえば、観測された第三法則が逆 乗の証拠になっている。

ニュートンはこの筋道をたどりました。ケプラーの法則を出発点に、力の形を逆算した。

ケプラー

観測記録から規則を読みとった。なぜそうなるかは説明していない

ニュートン

力の法則から つすべてを導いた。ほかの中心力でも同じ議論が使える

例:月で定数を確かめる

地球のまわりでも同じ形が使えます。月の半長軸は 、周期は 日、秒に直すと になる。

地球の は です。これを で割る。

パーセント以内で一致します。同じ法則が、太陽系でも地球のまわりでも効いている。

例:静止衛星の高度を出す

地上から止まって見える衛星は、周期が地球の自転と同じ 日です。 とする。

これは地球の中心からの距離です。地球の半径 を引くと、高度が出る。

およそ 万キロメートル。この高さでなければ、地上から止まって見えません。

第一法則

軌道の形を決める。楕円で、太陽は焦点にある

第二法則

軌道上での速さの変わり方を決める。角運動量保存の言いかえになっている

第三法則

軌道の大きさと周期を結ぶ。中心天体の質量を測る道具にもなる

法則が厳密には成り立たない場面

惑星どうしも引き合っているので、軌道はわずかにずれる。木星の影響で土星の動きが変わることが知られている。

中心の天体も動きます。厳密には、 天体が共通の重心のまわりを回る。 が式に出てくる理由もそこにある。

一般相対性理論による補正もかかる。水星の近日点がゆっくり移動する現象が、その代表例になります。

ある惑星の半長軸が地球の 倍だとします。この惑星の公転周期は地球の何倍ですか。

  • 倍
  • 倍
  • 倍
  • 倍
__RESULT__

第三法則から なので、 が 倍なら は 倍になります。 はその平方根で 倍。 と同じ 倍とすると誤ります。

惑星の軌道は楕円で、太陽は焦点の片方にあります。太陽と惑星を結ぶ線分が同じ時間に同じ面積を掃くので、近いところほど速く動く。これは中心を向く力なら何でも成り立つ性質で、角運動量保存の言いかえです。周期の $2$ 乗と半長軸の $3$ 乗の比は、水星から土星までどれも $7.50 \times 10^{-6}$ に収まります。比例定数は $\dfrac{GM}{4\pi^2}$ で、中心の天体の質量だけで決まる。月で確かめると $1$ パーセント以内で合い、静止衛星の高度 $3.6$ 万キロメートルも同じ式から出ます。