Kepler s Derde Wet en de Stabiliteit van het Zonnestelsel

Vergelijkbare documenten
Kepler s Derde Wet en de Stabiliteit van het Zonnestelsel

Kepler s Derde Wet en de Stabiliteit van het Zonnestelsel

Determinisme, chaos en toeval

Meetkunde en Fysica. Henk Broer. Instituut voor Wiskunde en Informatica Rijksuniversiteit Groningen. Meetkunde en Fysica p.1/22

Wiskunde als cultuur van de wetenschap

Dimensie en Dispersie het meten van chaos

Het Belang van de Calculus

De geest terug in de fles!

Inleiding in de Filosofie & de Ethiek

Een ander zijvlak is het regelmatige vijfhoek met aantal zijden P=5. Hierbij moeten Q=3 zijvlakken samenkomen in een hoekpunt van het veelvlak.

Hoofdstuk 8 Hemelmechanica. Gemaakt als toevoeging op methode Natuurkunde Overal

WELKOM! Inleiding Astrofysica College 1 7 september Ignas Snellen

3,9. Samenvatting door een scholier 738 woorden 25 juni keer beoordeeld

D-Day. 4 juni Joost Hulshof

Keuzeopdracht natuurkunde voor 5/6vwo

PLANETEN- STELSELS. HC-1 Logistiek en warming up

Opdracht ANW Leerdoelen h10 en h11

HERTENTAMEN PLANETENSTELSELS 13 JULI 2015,

Ruimte en tijd: overzicht

Higgs-deeltje. Peter Renaud Heideheeren. Inhoud

Gravitatie en kosmologie

Gasplaneten, ijsdwergen en vuile sneeuwballen. Cursus inleiding sterrenkunde

H T T P : / / L A S P. C O LO R A D O. E D U / E D U C AT I O N / O U T E R P L A N E T S / O R B I T _ S I M U L ATOR/ PLANETARY MOTIONS

Meetkundige revolutie(s)

Determinisme, Chaos en Toeval

HOE VIND JE EXOPLANETEN?

PLANETEN- STELSELS. HC-1 Inleiding

PLANETEN- STELSELS. HC-1 Inleiding

De vele bewijzen van Kepler s wet over ellipsbanen: een nieuwe voor het Boek?

Cursus Inleiding in de Sterrenkunde

Reis door het zonnestelsel

De ruimte in de loop van de tijd

Sterrenkunde. Materialen Karton Meetlat Passer Touw Potlood Schaar Lange stok

1) Mercurius. 2) Zoek informatie over vallende sterren. Muurkrant opdracht in 2-tallen

Wim Lintsen. Cursus De grote vragen van de Kosmos. Deel 2 De methode van de wetenschap

Inleiding Astrofysica

Basis Cursus Sterrenkunde. hoofdstuk 3 De planeten

Samenvatting ANW Hoofdstuk 6: het heelal

EXOPLANETEN. Vier standard detectie methodes

Reis door het zonnestelsel

Wiskunde door de Eeuwen Heen

Sterrenkunde in de prehistorie: Lascaux : COLLEGE II : RECAPITULATIE COLLEGE I. Ontzag voor hemelverschijnselen.

Lagrange punten. Oberonseminarie 12/04/2003 Goethals Ivan

De ruimte. Thema. Inhoud

Tweede Bijeenkomst: Zoektocht naar het Verborgen Hemelbeeld. Rond de Waterput donderdag 31 oktober 2013 Allan R. de Monchy

Inleiding Astrofysica Tentamen 2009/2010: antwoorden

6.1. Boekverslag door K woorden 22 mei keer beoordeeld

De planeten. (veel informatie uit Calvin J. Hamilton s Views of the Solar System :

Een les wiskunde: hoe Kepler naar de wereld keek (voorbeeldles voortgezet onderwijs)

Antwoorden ANW Blok 4 Heelal

Planeten. Zweven in vaste banen om een ster heen. In ons zonnestelsel zweven acht planeten rond de zon. Maar wat maakt een planeet nou een planeet?

Ontdek de planeten van ons zonnestelsel. In 90 minuten door het helal. Tijdens een wandeling tussen Ehrenfriedensdorf en Drebach

CIRKELBEWEGING & GRAVITATIE VWO

Determinisme, Chaos en Toeval

Galileo Galileï

Inleiding Astrofysica College 5 17 oktober Ignas Snellen

Inleiding Astrofysica college 5

Praktische opdracht ANW Planeten

Mercurius Op bijna 58 miljoen kilometer afstand van de Zon staat Mercurius. Met de Zon vergeleken is het maar een kruimeltje. Hij staat op 57 miljoen

Van Aristoteles via Copernicus en Galileï naar Newton

Wat waren de sterren? Gaatjes in het hemelgewelf waardoor het hemelse vuur scheen? Kwade demonen die s nachts naar de mensen keken?

Tentamen Planetenstelsels met oplossingen 19 april 2012 Docent: Dr. Michiel Hogerheijde


Telescopen. N.G. Schultheiss

Inleiding Astrofysica College 4 17 oktober

Keplers wetten en Newtons gravitatie

Huygens en de brachistochroon van Bernoulli

ICT en DEMATHEMATISERING?

ONS VERANDERENDE WERELDBEELD

3. HEMELMECHANICA. (Orbital Mechanics)

Van Newton tot Gauss: maan en wiskunde in de 18e eeuw

Drie Bernoullilezingen 2014 in licht van RUG 400

Snelle glijbanen. Masterclass VWO-leerlingen juni Emiel van Elderen en Joost de Groot NWD Faculteit EWI, Toegepaste Wiskunde

FANTASIE EN CRITIEK OPENBARE LES

Waarom zijn er seizoenen?

Het eetbare zonnestelsel groep 5-7

Ons Fysisch Wereldbeeld

Naam: Janette de Graaf. Groep: 7. Datum:Februari Het heelal.

Uitwerking Opgave Zonnestelsel 2005/2006: 1. 1 Het Zonnestelsel en de Zon. 1.1 Het Barycentrum van het Zonnestelsel

Escher in Het Paleis. Wiskundepakket. Ruimtelijke figuren

Werkbladen In de klas. Leven in het heelal. Naam. School. Klas 2 en 3 havo-vwo. Klas

Geschiedenis van de Sterrenkunde

Werkstuk Natuurkunde Zwaartekracht

Populair-wetenschappelijke samenvatting

Sterren kijken achter de dijken. Vier eeuwen sterrenkunde in Nederland

Edy Vorming van het planetenstelsel Tony

H06. wetten van kepler. CC Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie.

Chaos in de klassieke mechanica

differentiaalvergelijkingen. oscillaties en planeetbanen

De komeet Hale-Bobb.

Essential University Physics Richard Wolfson 2 nd Edition

100 miljard sterrenstelsels... ons zonnestelsel Planeten bij andere sterren. In een spiraal-arm van de Melkweg. De zon is maar een gewone ster...

Data Mining. Arno Siebes

Opgave wiskunde B-dag 24 november Nooit meer een totale zonsverduistering?

Werkstuk Natuurkunde Negen planeten

Eindexamen wiskunde B1-2 vwo 2002-I

Inleiding Astrofysica

Regelmatige en halfregelmatige veelvlakken

f : z z 2 + c. x n = 1 2 z n dan krijgen we z n+1 = z 2 n + a 2 a2 4 De parameter c correspondeert dus met a middels c = a 2 a2 4

Satellieten van de reuzen

Transcriptie:

Kepler s Derde Wet en de Stabiliteit van het Zonnestelsel Henk Broer Johann Bernoulli Instituut voor Wiskunde en Informatica Rijksuniversiteit Groningen

Summary i. Stability of solar system ii. Chaos versus chance iii.... Email: h.w.broer@rug.nl URL: http://www.math.rug.nl/ broer

Korte Geschiedenis Zonnestelsel Tot 1500 vijf planeten: Mercurius, Venus, Mars, Jupiter en Saturnus Toen kwamen Copernicus, Brahe en Kepler...... en Newton Email: h.w.broer@rug.nl URL: http://www.math.rug.nl/ broer

Systema Saturnium (1659) Saturnus en zijn ringen Christiaan Huygens Cees D. Andriesen, Titan Kan Niet Slapen, een biografie van Christaan Huygens, Uitgeverij Contact 1993

Komeet van Halley Komeet van Halley 1086,..., 1531, 1607, 1682,..., 1986 Edmond Halley (1656-1742) drukte Newton s Principia

Uranus William Herschel en een van zijn telescopen (1738-1822) Ontdekking Uranus in 1781

Gauß en Ceres Carl Friedrich Gauß en het 10-Mark biljet (1777-1855) Herontdekking planetoïde Ceres in 1801

Neptunus ontdekt 1821 Friedrich Wilhelm Bessel en Neptunus (1784-1846) Vorm baan Uranus voorspelt bestaan Neptunus

Rozetbaan Mercurius Sun Perihelium-beweging Mercurius kan niet volledig met Newtoniaanse mechanica begrepen worden

Getijden-resonantie Maan gevangen in 1 : 1 resonantie Pluto en Charon hebben elkaar gevangen Uiteindelijk lot van het Aarde-Maan systeem... Mercurius gevangen in een 3 : 2 resonantie

Ontwakende wetenschap Betere natuurfilosofie (Copernicus) Nauwkeuriger waarnemingen (Brahe) Wiskundige berekeningen en principes (Kepler, Newton) Betere wiskunde infinitesimaalrekening (Newton, Leibniz, de Bernoulli s, etc.)

Brahe en Kepler Tycho Brahe Johannes Kepler (1546-1601) (1571-1630) Waarneming en berekening aan Zonnestelsel

Harmonice Mundi Harmonie in de Kosmos? Pythagoras: verhoudingen in toonsafstanden 1 : 2 octaaf,2 : 3 kwint,3 : 4 kwart Harmonie der Sferen...

Platonische lichamen - viervlak (tetraëder) vuur - kubus (hexaëder) aarde - achtvlak (octaëder) lucht - twaalfvlak (dodecaëder) quintessence - twintigvlak (icosaëder) water Euclides, Elementen boek XIII

Kepler s wetten I & II Kepler I: Planeetbaan is ellips met Zon in brandpunt Kepler II: Gelijke tijden gelijke perken

Kepler s wet III Kepler ellips: Afmeting en omloopstijd - halve lange asa - omloopstijdt Dan geldt T 2 = cst. A 3 Kepler vindt dit door bestudering waarnemingen Newton geeft dit als theoretisch resultaat uit wiskundige principes Harmonie: Zie de natuurlijke getallen2en3!

De Principia Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica Isaac Newton, 1687

Cirkel in centraal krachtveld Puntmassa m in vlak centraal krachtveld Cirkelbaan r(t) = ( x(t) y(t) (in dit geval A = R) VerbandRenT? F = km r 2 e r (1) ) = R ( cos( 2π T t) sin( 2π T t) Kepler III uit mathematische principes! )

Cirkel in centraal krachtveld y 0 F r x Cirkelbaan in centraal krachtveld F

Snelheid cirkelbeweging x (t) = 2πR T sin y (t) = 2πR T cos ( ) 2π T t ( ) 2π T t en Geeft snelheid cirkelbeweging ( ) ( x v(t) = (t) 2π y = R T sin(2π T t) 2π (t) T cos(2π T t) )

Snelheid cirkelbeweging y v 0 x Snelheidvraakt aan de cirkelbaan

Centripetale versnelling y 0 a x Versnellingawijst naar het centrum

Versnelling en kracht Versnelling cirkelbeweging (= middelpuntzoekend) ( ) ( x a(t) = (t) ( ) 2π 2cos ) 2π y = R T T t (t) ( ) 2π 2sin 2π T T t ( ) 2 2π = R e r, vgl. BINAS... (2) T Combinatie (1), (2) en (3) Newton II: F = ma (3) Kepler III: T 2 = 4π2 k R3

Scholium Uit bovenstaande blijkt Newtons inverse kwadraatwet (1): F = km r 2 e r Kepler III: T 2 = 4π2 k R3

Literatuur I - Henk Broer, De chaotische schommel, Pythagoras 35(5) 1997, 11-15 - Henk Broer, Computergebruik en demathematisering, Nieuw Archief voor Wiskunde (3) 5/8(3), september 2007, 201-205 - Joost Hulshof, Differentiaalvergelijkingen, oscillaties en planeetbanen (vakantiecursus), Nieuw Archief voor Wiskunde 5/8(4), december 2007, 270-277 - Rainer Kaenders, Dubbelplaneten (vakantiecursus), Nieuw Archief voor Wiskunde 5/8(4), december 2007, 287-298

Newton en Flamsteed Sir Isaac Newton John Flamsteed (1642-1727) (1646-1719) Universele gravitatie...

Galileïsche manen Jupiter Io, Europa, Ganymedes en Callisto banen vrijwel cirkelvormig omloopstijden ongeveer Io: 2 dagen, Europa: 4 dagen, Ganymedes: 1 week, Callisto: 2 weken

Galileïsche manen Jupiter (ctd.) Geldt hiervoor Kepler III? Check Flamsteed: JA

Universele gravitatie Klassiek: alleen Zon trekt de planeten aan alles valt naar het centrum van de wereld Flamsteed: ook Jupiter trekt zijn manen aan Hierna postuleert Newton algemeen F = km 1m 2 r 2 e r tussen elk tweetal (punt-) massa s Toen pas universele gravitatie...

Conclusies Gedaan is het met die ordelijke ellipsen! Storingsrekening is het gevolg: woeste berekeningen aan Maanbaan Sterbedekkingen i.v.m. lengtebepaling op zee Cruciaal experiment Flamsteed Vergelijk check Eddington bij Zonsverduistering in 1919 (betreft Algemene Relativiteitstheorie) Drie lichamen al heel lastig! CHAOS Van Poincaré naar speelgoedmodel Hénon-Heiles

Hénon-Heiles 1964 Gekoppelde oscillatoren x = V x y = V y potentiele energie V(x,y) = 1 2 (x2 +y 2 +2x 2 y 2 3 y3 ) ( behoud energiee = 1 2 (x ) 2 +(y ) 2) +V(x,y) Viax = u eny = v naar 4D fase-ruimte R 4 = {x,y,u,v}

De 3-sfeerS 3 R 4 Energie hyperoppervlak x 2 +y 2 +u 2 +v 2 +2x 2 y 2 3 y3 = E 3-dimensionale sfeers 3 R 4 Meetkunde van S 3 R 3 { } S 3 de vereniging van twee volle tori, geplakt langs gemeenschappelijke rand T 2... 2-dimensionale torust 2

De 3-sfeerS 3, ctd. -2-4 0 2 4 2 0-2 -4-2 0 2 4 Seiffert foliatie van de 3-sfeerS 3 in2 tori Poincaré sectie dwars op zulke 2-tori...

Hénon-Heiles II Geeft idee van de dynamica EnergieE = 0.005 ene = 0.010 overwegend (multi-) periodiek stabiel

Hénon-Heiles III EnergieE = 0.012 (multi-) periodiek naast chaotisch...

... een beetje draaien

Verder... Henri Poincaré Jacques Laskar Zonnestelsel multi-periodiek of chaotisch? Op welke termijn? Jacques Laskar (Observatoire de Paris): Problemen over 100.000.000 jaar

Literatuur II - M. Caspar, Johannes Kepler, Stuttgartt 1995 - H.F. Cohen, De Herschepping van de Wereld, Uitgeverij Bert Bakker 2008 - A. Koestler, The Sleepwalkers, Hutchinson 1959; Danube Edition 1968, 2nd edition 1979 - C.M. Linton, From Eudoxus to Einstein, A History of Mathematical Astronomy, Cambridge University Press 2004 - H.-O. Peitgen, H. Juergens en D. Saupe, Chaos and Fractals, New Frontiers of Science, Springer-Verlag 1992 - H.W. Broer en F. Takens, Dynamical Systems and Chaos, Appl. Math. Sciences 172, Springer-Verlag 2011 - E.J. Dijksterhuis, De Mechanisering van het Wereldbeeld, Meulenhof 1950 - R.S. Westfall, Never at Rest. A biography of Isaac Newton, Cambridge University Press 1980