Kaikki maailmankaikkeudessa on liikkeessä. Kuut kiertävät kiertorata planeettoja, jotka puolestaan kiertävät tähdet. Galakseissa on miljoonia ja miljoonia tähtiä, jotka kiertävät niiden sisällä ja erittäin suurissa mittakaavoissa, galaksit kiertävät jättiläisissä klustereissa. Aurinkokunnan mittakaavassa huomaa, että suurin osa kiertorata-alueista on suurelta osin elliptisiä (eräänlainen litteä ympyrä). Tähtien tai planeettojen lähempänä olevien esineiden kiertorata on nopeampi, kun taas etäisemmien kohteiden kiertorata on pidempi.
Kesti kauan, kun taivaan tarkkailijat keksivät nämä liikkeet, ja me tiedämme niistä renessanssingenian, nimeltä Johannes Kepler (joka asui 1571–1630). Hän katsoi taivasta suurella uteliaisuudella ja palavalla tarpeella selittää planeettojen liikkeet, kun ne näyttivät vaeltavan taivaan yli.
Kepler oli saksalainen tähtitieteilijä ja matemaatikko, jonka ideat muuttivat perusteellisesti ymmärrystämme planeettaliikkeestä. Hänen tunnetuin työ johtuu hänen työstään tanskalaisella tähtitieteilijällä
Tycho Brahe (1546-1601). Hän asettui Prahaan vuonna 1599 (tuolloin Saksan keisarin Rudolfin tuomioistuimen alue) ja hänestä tuli tuomioistuimen tähtitieteilijä. Siellä hän palkkasi Keplerin, joka oli matemaattinen nero, suorittamaan laskelmansa.Kepler oli opiskellut tähtitiedettä kauan ennen kuin tapasi Tychon; hän piti kopernikalaista maailmankuvaa, jonka mukaan planeetat kiertävät Auringon. Kepler vastasi myös Galileon kanssa havainnoistaan ja päätelmistään.
Lopulta Kepler kirjoitti työhönsä perustuen useita tähtitiedettä koskevia teoksia, mukaan lukien Astronomia Nova, Harmonices Mundija Kopernikalaisen tähtitieteen eppitome. Hänen havainnot ja laskelmat saivat inspiroimaan myöhemmin syntyneitä sukupolvia hänen teorioidensa pohjalta. Hän työskenteli myös optiikan ongelmien parissa, ja erityisesti hän keksi paremman version taitekaukoputkesta. Kepler oli syvästi uskonnollinen mies ja uskoi myös eräisiin astrologian oppeihin tietyn ajan elämänsä ajan.
Tycho Brahe antoi Keplerille tehtävän analysoida havainnot, jotka Tycho oli tehnyt Marsista. Nämä havainnot sisälsivät joitain erittäin tarkkoja planeetan sijainnin mittauksia, jotka eivät olleet yhtä mieltä Ptolemaioksen mittauksista tai Copernicuksen havainnoista. Kaikista planeetoista Marsin ennustetussa sijainnissa oli suurimmat virheet ja siksi suurin ongelma. Tychon tiedot olivat parhaita käytettävissä ennen teleskoopin keksintöä. Samalla kun Brahe maksoi Keplerille avusta, hän suojasi tietoja kateellisesti ja Kepler kamppaili usein saadakseen työnsä edellyttämät luvut.
Kun Tycho kuoli, Kepler pystyi saamaan Brahen havaintotiedot ja yritti selvittää mitä he tarkoittivat. Vuonna 1609, samana vuonna Galileo Galilei ensin käänsi kaukoputkensa taivaita kohti, Kepler sai vilkaisun siitä, mitä hän ajatteli olevan vastaus. Tychon havaintojen tarkkuus oli tarpeeksi hyvä, jotta Kepler osoitti, että Marsin kiertorata sopisi tarkalleen ellipsin muotoon (pitkänomainen, melkein munamainen ympyrän muoto).
Hänen löytönsä ansiosta Johannes Kepler ymmärsi ensimmäisenä, että aurinkokunnan planeettamme liikkuivat ellipseinä, ei ympyrinä. Hän jatkoi tutkimuksiaan kehittäen lopulta kolme planeetan liikkeen periaatetta. Niistä tuli tunnetuksi Keplerin lakina ja ne mullistivat planeetan tähtitieteen. Monta vuotta Keplerin jälkeen, Sir Isaac Newton osoitti, että kaikki kolme Keplerin lakia ovat suora seuraus painovoima- ja fysiikkalaista, jotka hallitsevat voimia töissä eri massiivisten kappaleiden välillä. Joten, mitkä ovat Keplerin lait? Tässä on nopea katsaus niihin käyttämällä terminologiaa, jota tutkijat käyttävät kuvaamaan kiertoradan liikkeitä.
Keplerin ensimmäisen lain mukaan "kaikki planeetat liikkuvat elliptisesti kiertoradalla auringon ollessa yhdessä keskittyessä ja toiset keskittyen tyhjiksi". Tämä pätee myös auringon kiertäviin komeetoihin. Maan satelliiteihin sovellettuna Maan keskipisteestä tulee yksi tarkennus, toisesta tarkennus tyhjä.
Keplerin toista lakia kutsutaan aluelakeeksi. Tämän lain mukaan "linja, joka yhdistää planeetan aurinkoon, pyyhkää yhtä suuret alueet samoin aikavälein". Ymmärtääksesi lakia, ajattele, milloin satelliitti kiertää. Kuvitteellinen linja, joka yhdistää sen Maahan, pyyhkäisee yhtä suuret alueet yhtä suurina ajanjaksoina. Segmentit AB ja CD kattavat yhtä aikaa. Siksi satelliitin nopeus muuttuu riippuen sen etäisyydestä maapallon keskustasta. Nopeus on suurin maapallon lähimmällä kiertoradalla, nimeltään perigee, ja hitain maassa kauimpana olevassa pisteessä, nimeltään apogee. On tärkeää huomata, että satelliitin seuraama kiertorata ei ole riippuvainen sen massasta.
Keplerin 3. lakia kutsutaan ajanjaksoksi. Tämä laki koskee aikaa, joka tarvitaan planeetan suorittamaan yksi täydellinen matka auringon ympäri sen keskimääräiseen etäisyyteen auringosta. Lain mukaan "minkä tahansa planeetan vallankumousjakson neliö on suoraan verrannollinen sen keskimääräisen etäisyyden auringoon kuutioon". Maapallosatelliiteihin sovellettuna Keplerin kolmas laki selittää, että mitä kauempana satelliitti on Maasta, sitä kauempana kiertorata kuluu, sitä suurempi etäisyys se kulkee kiertoradan suorittamiseen ja sitä hitaampi keskimääräinen nopeus on. olla. Toinen tapa ajatella tätä on, että satelliitti liikkuu nopeimmin, kun se on lähinnä maata, ja hitaampaa, kun se on kauempana.