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

Dimensie en Dispersie het meten van chaos

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

Het Belang van de Calculus

De geest terug in de fles!

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

Determinisme, Chaos en Toeval

Wiskunde als cultuur van de wetenschap

Hoofdstuk 8 Hemelmechanica. Gemaakt als toevoeging op methode Natuurkunde Overal

Inleiding Astrofysica Tentamen 2009/2010: antwoorden

Determinisme, Chaos en Toeval

D-Day. 4 juni Joost Hulshof

Eindexamen wiskunde B1-2 vwo 2002-I

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

CIRKELBEWEGING & GRAVITATIE VWO

Inleiding in de Filosofie & de Ethiek

Examen VWO. wiskunde B1,2

WELKOM! Inleiding Astrofysica College 1 7 september Ignas Snellen

Examen VWO. Wiskunde B1,2 (nieuwe stijl)

Keuzeopdracht natuurkunde voor 5/6vwo

Higgs-deeltje. Peter Renaud Heideheeren. Inhoud

Wiskunde door de Eeuwen Heen

De wortel uit min één, Cardano, Kepler en Newton

ICT en DEMATHEMATISERING?

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

differentiaalvergelijkingen. oscillaties en planeetbanen

Keplers wetten en Newtons gravitatie

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

Henri Poincaré, ongeduldig genie

Ruimte en tijd: overzicht

Examen VWO. Wiskunde B Profi

Inleiding Astrofysica

Afleiding Kepler s eerste wet, op basis van Newton s wetten

Hoofdstuk 4 Trillingen en cirkelbewegingen. Gemaakt als toevoeging op methode Natuurkunde Overal

13 Zonnestelsel en heelal

14.0 Voorkennis. sin sin sin. Sinusregel: In elke ABC geldt de sinusregel:

Indicatie van voorkennis per les Algemene relativiteitstheorie Docent: Dr. H. (Harm) van der Lek

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

Essential University Physics Richard Wolfson 2 nd Edition

De ruimte in de loop van de tijd

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

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

Lagrange punten. Oberonseminarie 12/04/2003 Goethals Ivan

Regelmaat in de ruimte

Chaos, weer en klimaat

Uitgewerkte oefeningen

Bal in de sloot. Hierbij zijn x en f ( x ) in centimeters. Zie figuur 2.

Reis door het zonnestelsel


Eindexamen vwo wiskunde B 2014-I

Computergebruik en demathematisering

Meetkundige revolutie(s)

Formule afleiding opgaven bij de cursus Algemene relativiteitstheorie Docent: Dr. H. (Harm) van der Lek

Vraag Antwoord Scores ( ) ( ) Voor de waterhoogte h geldt: ( 2h+ 3h 2h

Biljarten op een ellips. Lab kist voor 3-4 vwo

Chaos in de klassieke mechanica

Eindexamen wiskunde B 1-2 vwo I

2 Kromming van een geparametriseerde kromme in het vlak. Veronderstel dat een kromme in het vlak gegeven is door een parametervoorstelling

Actief gedeelte - Maken van oefeningen

ONS VERANDERENDE WERELDBEELD

Eindexamen wiskunde B1-2 vwo 2002-I

Dimensies. een ruimtelijke tocht langs onbekende assen. Anne Lotte van der Kooi Jesse Krijthe Roderik Vogels Onder begeleiding van Aad Goddijn


Algemene relativiteitstheorie

Algemene relativiteitstheorie

FANTASIE EN CRITIEK OPENBARE LES

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

Samenvatting ANW Hoofdstuk 6: het heelal

Regelmatige en halfregelmatige veelvlakken

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

Een touwtje om de aarde

Gravitatie en kosmologie

Inleiding Astrofysica

Mededelingenblad van de Stichting Ars et Mathesis Redaktieadres Nieuwstraat BL Baarn Jaargang 7 Nummer 2 Mei 1993

Viervlakken tussen Kunst en Wiskunde Kijkend naar het werk van kunstenaar Henk Verbeek met de blik van een wiskundige.

Examen VWO. wiskunde B (pilot) tijdvak 2 woensdag 18 juni uur

Examen VWO. wiskunde B1,2. tijdvak 1 dinsdag 2 juni uur. Bij dit examen hoort een uitwerkbijlage.

Tentamen Inleiding Astrofysica 19 December 2016,

De leraar fysica als goochelaar. lesvoorbeeld: harmonische trillingen

Achter het correctievoorschrift is een aanvulling op het correctievoorschrift opgenomen.

Antwoordmodel VWO wb I. Verschuivend zwaartepunt. Maximumscore 3 3 = 1. d T = ,2 (cm) Maximumscore 4. Dus d T = = Maximumscore 4

Eindexamen wiskunde B 1-2 vwo I

12.0 Voorkennis. Voorbeeld 1: Los de vergelijking sin(a) = 0 op. We zoeken nu de punten op de eenheidscirkel met y-coördinaat 0.

Examen VWO. tijdvak 31 dinsdag 25 mei uur. Bij dit examen hoort een uitwerkbijlage.

Meetkundige ongelijkheden Groep A

Begripsvragen: Cirkelbeweging

Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

Voorbereidend Wetenschappelijk Onderwijs Tijdvak 2 Woensdag 20 juni uur

Eindexamen vwo wiskunde B pilot 2014-I

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

1 VRIJE TRILLINGEN 1.0 INLEIDING 1.1 HARMONISCHE OSCILLATOREN het massa-veersysteem. Hoofdstuk 1 - Vrije trillingen

wiskunde B Achter het correctievoorschrift is een aanvulling op het correctievoorschrift opgenomen.

Selecties uit de Elementen van Euclides, Boek 1

Oefenzitting 2: Parametrisaties.

WISKUNDE 5 PERIODEN DEEL B

Mechanica. Contents. Lennaert Huiszoon. November 14, Inleiding 2

Voorbereidende sessie toelatingsexamen

wiskunde B vwo 2015-II

Transcriptie:

Kepler III p.1 Kepler s Derde Wet en de Stabiliteit van het Zonnestelsel Henk Broer Instituut voor Wiskunde en Informatica Rijksuniversiteit Groningen

De Principia Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica Isaac Newton, 1687 Email: broer@math.rug.nl URL: http://www.math.rug.nl/ broer Kepler III p.2

Kepler III p.3 Brahe en Kepler Tycho Brahe Johannes Kepler (1546-1601) (1571-1630) Waarneming en berekening aan Zonnestelsel

Kepler III p.4 Harmonice Mundi Harmonie in de Kosmos? Pythagoras: kleine natuurlijke getallen in toonsafstanden verhoudingen 1 : 2 octaaf, 2 : 3 kwint, 3 : 4 kwart Harmonie der Sferen...

Kepler III p.5 Platonische lichamen - viervlak (tetraëder) vuur - kubus (hexaëder) aarde - achtvlak (octaëder) lucht - twaalfvlak (dedecaëder) æther (= quintessence) - twintigvlak (icosaëder) water Hoogtepunt van de Elementen van Euclides in boek XIII

Kepler III p.6 Kepler s wetten I & II Kepler I: Planeetbaan is ellips met Zon in brandpunt Kepler II: Gelijke tijden AB en CD dan gelijke perken

Kepler III p.7 Kepler s wet III Kepler ellips: Kepler ellips Afmeting en omloopstijd - halve lange as A - omloopstijd T Dan geldt T 2 = cst. A 3 Kepler vindt dit door bestudering waarnemingen Hieronder als theoretisch resultaat uit wiskundige principes voor bijzonder geval van cirkelbeweging Harmonie: Zie de eenvoudige natuurlijke getallen 2 en 3!

Kepler III p.8 Newton en Flamsteed Isaac Newton John Flamsteed (1642-1727) (1646-1719) Universele gravitatie

Kepler III p.9 Cirkelbaan in centraal krachtveld Puntmassa m in vlak centraal krachtveld (principe) F = km r 2 e r (1) Cirkelbaan (nu is A = R, de straal) ( ) ( x(t) r(t) = = R y(t) Verband R en T? cos( 2π T t) sin( 2π T t) ) Nu Kepler III als gevolg van mathematische principes!

Kepler III p.10 Cirkelbaan in centraal krachtveld (ctd.) y 0 F r x Cirkelbaan in centraal krachtveld F

Kepler III p.11 Snelheid cirkelbeweging x (t) = 2πR ( 2π T sin y (t) = 2πR T cos ) T t ) ( 2π T t en Geeft snelheid cirkelbeweging ( ) x (t) v(t) = y = R (t) ( 2π T sin(2π T t) 2π T cos( 2π T t) )

Kepler III p.12 Snelheid cirkelbeweging (ctd.) y v 0 x De snelheid v raakt aan de cirkelbaan

Kepler III p.13 Middelpuntzoekende versnelling y 0 a x De versnelling a wijst naar het centrum

Versnelling en kracht Versnelling cirkelbeweging (= middelpuntzoekend) ( ) ( x (t) ( ) 2π 2 ) a(t) = y = R T cos 2π T t (t) ( ) 2π 2 T sin 2π T t ( ) 2 2π = R e r, vgl. BINAS... (2) T Nog een principe: Newton II F = ma (3) Vgln. (1), (2) en (3) geven inderdaad Kepler III: T 2 = 4π2 k R3 Kepler III p.14

Kepler III p.15 Scholium Uit de berekening blijkt dat inverse kwadraatwet (1): F = km r 2 e r equivalent is met Kepler III: T 2 = 4π2 k R2

Kepler III p.16 Literatuur I 1. Henk Broer, De chaotische schommel, Pythagoras 35(5) 1997, 11-15 2. Henk Broer, Computergebruik en demathematisering, Nieuw Archief voor Wiskunde (3) 5/8(3), september 2007, 201-205 3. Joost Hulshof, Differentiaalvergelijkingen, oscillaties en planeetbanen (vakantiecursus), Nieuw Archief voor Wiskunde 5/8(4), december 2007, 270-277 4. Rainer Kaenders, Dubbelplaneten (vakantiecursus), Nieuw Archief voor Wiskunde 5/8(4), december 2007, 287-298

Kepler III p.17 Galileïsche manen Jupiter Io, Europa, Ganymedes en Callisto

Kepler III p.18 Galileïsche manen Jupiter (ctd.) Merk op: bijna cirkels. Omloopstijden ongeveer Io: 2 dagen, Europa: 4 dagen, Ganymedes: 1 week, Callisto: 2 weken Geldt hiervoor Kepler III? Check Flamsteed: JA

Kepler III p.19 Universele gravitatie Klassiek standpunt: alleen de Zon trekt aan de planeten alles valt naar het centrum van de toenmalige wereld Flamsteed: ook Jupiter trekt zijn manen aan Hierna postuleert Newton de formule F = km 1m 2 r 2 e r tussen elk tweetal (punt-) massa s m 1 en m 2 op afstand r Toen pas universele gravitatie...

Kepler III p.20 Conclusies Gedaan is het met die ordelijke ellipsen! Jupiter stoort de baan van de Aarde om de Zon, enzovoorts Storingsrekening is het gevolg: woeste berekeningen aan Maanbaan Sterbedekkingen belangrijk voor lengtebepaling op zee Cruciaal experiment Flamsteed Vergelijk Eddington bij de Zonsverduistering in 1919 (check Algemene Relativiteitstheorie) Drie lichamen al heel lastig! CHAOS Van Poincaré naar speelgoedmodel Hénon-Heiles

Hénon-Heiles 1964 Gekoppelde oscillatoren x y = V x = V y met potentiele energie V (x,y) = 1 2 (x2 + y 2 + 2x 2 y 3 2y3 ) totale energie E = 2 1 ( (x ) 2 + (y ) 2) + V (x,y), behouden Via x = u en y = v naar 4D fase-ruimte R 4 = {x,y,u,v} Energie hyperoppervlak x 2 + y 2 + u 2 + v 2 + 2x 2 y 2 3 y3 = E 3-dimensionale sfeer S 3 R 4 Kepler III p.21

Kepler III p.22 De 3-sfeer S 3 Meetkunde van S 3 R 3 { } 2-dimensionale torus T 2 S 3 de vereniging van twee volle tori, geplakt langs gemeenschappelijke rand T 2...

Kepler III p.23 De 3-sfeer S 3, ctd. -2-4 0 2 4 2 0-4 -2 0 2 4-2 Hopf-vezeling van de 3-sfeer S 3 Poincaré sectie is dwars op zulke 2-tori...

Kepler III p.24 Hénon-Heiles II Geeft idee van de dynamica Energie E = 0.005 en E = 0.010 overwegend nog (multi-) periodiek

Kepler III p.25 Hénon-Heiles III Energie E = 0.012 (multi-) periodiek naast chaotisch...

... een beetje draaien Kepler III p.26

Verder... Henri Poincaré Jacques Laskar Stabiliteit Zonnestelsel multi-periodiek of chaotisch? Op welke termijn? Jacques Laskar Observatoire de Paris: voor berekeningen aan Newtoniaanse vergelijkingen Problemen te verwachten over 100.000.000 jaar Er is (veel) meer... Kepler III p.27

Kepler III p.28 Literatuur II - M. Caspar, Johannes Kepler, Stuttgartt 1995. - H.F. Cohen, De Herschepping van de Wereld, Uitgeverij Bert Bakker 2008. - E.J. Dijksterhuis, De Mechanisering van het Wereldbeeld, Meulenhof 1950. - A. Koestler, The Sleepwalkers, Hutchinson 1959; Danube Edition 1968, 2nd edition 1979. - N.P. Landsman, Requiem voor Newton, Uitgeverij Contact 2005. - R.S. Westfall, Never at Rest. A biography of Isaac Newton, Cambridge University Press 1980.

Kepler III p.29 Literatuur III - H.W. Broer en F. Takens, Dynamical Systems and Chaos, Epsilon-Uitgaven 2008 (to appear). - H.-O. Peitgen, H. Juergens en D. Saupe, Chaos and Fractals, New Frontiers of Science, Springer-Verlag 1992.