Planetenschleifen mit Geogebra 1

Transkript

1 Planetenschleifen Planetenschleifen mit Geogebra Entstehung der Planetenschleifen Nach dem dritten Kepler schen Gesetz stehen die Quadrate der Umlaufzeiten zweier Planeten im gleichen Verhältnis wie die Kuben der großen Halbachsen, oder in einem Formel gefasst P = const.. ( a Führt man weiterhin die Winkelgeschwindigkeit eines Planeten ein als ω = π, lässt sich Gleichung schreiben als P ω = const a /. ( Die Winkelgeschwindigkeit eines Planeten nimmt demnach ab, mit zunehmender großen Halbachse (vgl. Abbildung ω. ( a/ 7, Winkelgeschwindigkeit der Planeten,0 Merkur, Winkelgeschwindigkeit ω / a 0,0 7,,0, 0,0 Venus 7,,0 Mars, Saturn Uranus Neptun 0, große Halbachse a / AE Abbildung : Winkelgeschwindigkeit der Planeten Heliozentrisches Weltbild Im Vergleich zu den äußeren Planeten hat die eine höhere Winkelgeschwindigkeit und überholt diese folglich auf ihrer Bahn um die Sonne. Dabei entstehen die Planetenschleifen. Abbildung verdeutlicht dies am Beispiel von. Zur Vereinfachung des Problem werden die Planetenbahnen als Kreisbahnen (e = 0 angenommen und ihre Inklinationen i vernachlässigt. GeoGebra - Dynamic Mathematics for Everyone -

2 Planetenschleifen Am Himmel Okt Jan Jul Erdbahn Apr bahn Abbildung : Entstehung der Planetenschleifen Weiterhin soll die Umlaufperiode P von genau Jahre betragen. Tabelle zeigt die wahren Parameter der beiden Planeten. Die Abweichungen der vereinfachenden Annahmen sind nur gering und daher für den Einsatz im Unterricht annehmbar. Ein umlauf dauert soa / AE P / Jahre e i /,00,00 0,07 0,0,86 0,08, Tabelle : Parameter, [] mit Monate. In Abbildung sind sowohl auf der Erd-, als auch auf der bahn die einzelnen Monate abgetragen. Im gezeigten Beispiel bewegt sich in den Monaten Januar bis Juni (-6 entgegen des Uhrzeigersinnes durch den Fixsternhimmel. In den Monaten 7-0 verläuft seine Bewegung gegenläufig, im Uhrzeigersinn. Die Monate - werden wieder im Gegenuhrzeigersinn durchlaufen. Diesen Verlauf bezeichnet man als Planetenschleife. Die beiden inneren Planeten Merkur und Venus haben hingegen höhere Winkelgeschwindigkeiten als die. Sie überholen diese auf ihrer Bahn um die Sonne und erzeugen so ebenfalls Planetenschleifen mit der charakteristischen Phase der Rückläufigkeit des Planeten. Sowohl die Planetenschleifen der inneren, als auch der äußeren Planeten sind Projektionseffekte und im heliozentrischen Weltbild leicht durch die unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten erklärbar.

3 Planetenschleifen Im geozentrischen Weltbild werden die Planetenschleifen dagegen durch die Überlagerung zweier Kreisbewegungen erklärt. Geozentrisches Weltbild Im geozentrischen Weltbild bewegt sich ein Planet auf einem Großkreis, dem sogenannten Deferenten um die. Gleichzeitig bewegt sich der Planet auf einer zweiten Kreisbahn, dem Epizykel (vgl. Abbildung. Für die äußeren Planeten entspricht der Radius des Deferenten der R Epi Deferent Epizykel R Def Abbildung : Planetenschleifen im geozentrischen Weltbild großen Halbachse des Planeten. Ein Umlauf des Epizykels dauert dabei gerade so lange wie die siderische Umlaufperiode des Planeten im heliozentrischen Weltbild. Der Radius des Epizykels entspricht der großen Halbachse der und der Umlauf des Planeten auf dem Epizykel dauert ein Jahr. Bei inneren Planeten beträgt der Radius des Deferenten eine astronomische Einheit und die Umlaufzeit beträgt ein Jahr. Der Planet kreist dann auf dem Epizykel, dessen Radius der großen Halbachse des Planeten im heliozentrischen Weltbild entspricht. Die Umlaufdauer entspricht der siderischen Periode des Planeten. Tabelle fasst die wichtigen Größen zusammen. Innere Planeten Äußere Planeten R Def AE a P lanet P Def a P sid,p lanet R Epi a P lanet AE P Epi P sid,p lanet a Tabelle : Deferent und Epizykel im geozentrischen Weltbild []

4 Planetenschleifen Umsetzung in Geogebra Die Umsetzung wird hier am Beispiel von beschrieben. Für alle anderen Planeten gelten die gleichen Formel. Die Umlaufzeiten und Radien der Bahnen müssen dann entsprechend angepasst werden. In Geogebra soll ein Skalenteil einer astronomischen Einheit entsprechen. Heliozentrisches Weltbild Die Erd- und bahn sind konzentrische Kreise mit den Radien R E = und R Jup =, um den gemeinsamen Mittelpunkt (0, 0 in welchem die Sonne sitzt. Der Fixsternhimmel wird als Kreis mit dem Radius R Fix =, ebenfalls zentriert um die Sonne gewählt. Die Position der wird durch den Vektor r E und die von durch r Jup beschrieben (vgl. Abbildung Sichtlinie y/ae y Jup,helio r Jup r E x Jup,helio Sonne x /AE r E = Abbildung : Positionen der Planeten im heliozentrischen Weltbild ( xe y E ( cos(ϕe = sin(ϕ E ( xjup, r Jup = y Jup ( cos(ϕjup =, sin(ϕ Jup. ( Die Winkel ϕ E und ϕ Jup hängen von der Zeit ab und ergeben sich aus der Umlaufperiode der Planeten zu ϕ E = π M und ϕ Jup = π M, ( M steht für die Anzahl der vergangenen Monate. Für die ergibt sich ein voller Umlauf nach Monaten und für nach. Für die Anzahl der vergangenen Monate M wird ein Schieberegler im Bereich 0 M hinzugefügt. Für die Projektion von an den Fixsternhimmel fügt man einen Strahl durch zwei Punkte, beginnend im Punkt der, weiter über den Punkt für ein. Mit Hilfe des Werk- zeugs Schneide zwei Objekte wird die Projektion, der Schnittpunkt zwischen Strahl und Fixsternhimmel durch einen Punkt markiert. Zur Veranschaulichung wird in Geogebra eine Animation gestartet, welche die Anzahl der Monate in Schritten von 0,0 Monaten zwischen 0 Monaten und Monaten variiert. Die Schleifenbewegung wird dann deutlich sichtbar.

5 Planetenschleifen Geozentrisches Weltbild Im geozentrischen Weltbild setzt man zuerst einen Punkt für die in den Koordinatenursprung, fügt einen Kreis für den Deferenten mit dem Radius R Def = R Jup und einen mit dem Radius R Fix = hinzu; beide um den Mittelpunkt (0, 0. Der Mittelpunkt des Epizykelkreises läuft mit der siderischen Umlaufperiode von auf dem Deferenten um. Dieser Punkt hat demnach dieselben Koordinaten wir im heliozentrischen Weltbild. Man füge diesen Mittelpunkt und einen zugehörigen Kreis mit dem Radius R Epi = ein. Für den Planeten fügt man nun einen Punkt auf dem Epizykel hinzu, dessen Koordinaten (x Jup,geo, y Jup,geo aus der Summe der beiden Kreisbewegungen bestehen und x Jup,geo = y Jup,geo = [ R Def cos ( π M ] + [ ( ] π R Epi cos M [ ( ] [ ( ] π π R Def sin M + R Epi sin M. y Epi y Def y/ae y Jup,geo Epizykel Sichtlinie Deferent x Jup,geo x /AE x Def x Epi Abbildung : Positionen der Planeten im geozentrischen Weltbild Der Umlauf auf dem Epizykelkreis hat die Periodendauer P Epi = Monate. Abschließend fügt man auch hier einen Strahl durch zwei Punkte zwischen und ein sowie den Schnittpunkt, welcher die Projektion an den Fixsternhimmel anzeigt. Nach Rechtsklick auf den Planeten kann die Eigenschaft Spur ein ausgewählt werden. Literatur [] H. Karttunen: Astronomie - Eine Einführung; Springer-Verlag; 990 [] A. Unsöld, B. Baschek: Der neue Kosmos; 7. Auflage; Springer-Verlag; 00