// EXP.15 — KEPLER'S LAWS OF PLANETARY MOTION

KEPLER
LAWS

행성은 원을 그리지 않습니다.
그리고 일정한 속도로 돌지도 않습니다.

태양은 궤도의 한가운데가 아니라 살짝 비껴난 초점에 있습니다. 그래서 행성은 태양에 가까워지면 빨라지고 멀어지면 느려집니다. 케플러가 관측 자료에서 찾아낸 세 가지 법칙을, 하나씩 눌러가며 직접 확인해보세요.

▶ RUNSIMULATION
DIFFICULTY 4단계 중 2단계
ORBIT.VIEW● LIVE

같은 Δt 동안 쓸고 간 넓이 0.226 AU² — 근일점이든 원일점이든 같습니다

제1법칙
타원
제2법칙
넓이 일정
제3법칙
T² = a³
초점
2개
SIMULATOR_MOUNT :: EXP.15법칙을 눌러 하나씩 보세요
BASICS — 처음이라면 여기부터/00

케플러 법칙이 뭔가요?

요하네스 케플러(1571~1630)는 행성이 하늘에서 어떻게 움직이는지를 밝혀낸 독일의 천문학자입니다. 그전까지 사람들은 행성이 완벽한 원을 그리며 일정한 빠르기로 돈다고 믿었습니다. 케플러는 스승 티코 브라헤가 평생 맨눈으로 기록한 화성 관측 자료를 붙들고 계산한 끝에, 그 믿음이 둘 다 틀렸다는 것을 알아냈습니다.

그가 찾아낸 세 가지 규칙이 케플러 법칙입니다. 행성이 그리는 길의 모양(제1법칙), 그 길을 도는 빠르기(제2법칙), 그리고 궤도의 크기와 걸리는 시간의 관계(제3법칙)에 대한 것입니다.

아래 그림의 이름들만 알아두면 시뮬레이터를 읽을 수 있습니다.

궤도면을 비스듬히 본 모습태양 (초점)빈 초점장반경 a중심c단반경 b근일점원일점행성
태양은 타원의 중심이 아니라 초점에 있습니다. 그래서 행성과 태양 사이 거리가 계속 변합니다.

이심률 e — 숫자가 커질수록 길쭉해집니다

e = 0완전한 원
e = 0.3살짝 찌그러짐
e = 0.6눈에 띄게 길쭉
e = 0.9핼리 혜성 급

실제 행성은 대부분 e가 0.1보다 작아 맨 왼쪽 그림과 거의 같습니다. 그래서 시뮬레이터에는 타원을 일부러 부풀려 보여주는 “타원 강조” 슬라이더가 있습니다.

알아두면 좋은 말들

공전公轉
한 천체가 다른 천체의 둘레를 도는 것. 지구가 태양 둘레를 도는 것이 공전이고, 지구가 스스로 도는 것은 자전입니다.
궤도軌道
공전하면서 그리는 길. 케플러가 밝혀낸 것이 바로 이 길의 모양이 타원이라는 사실입니다.
타원楕圓
두 점(초점)까지의 거리를 더한 값이 어디서나 같은 점들이 그리는 곡선. 원을 한쪽으로 눌러 늘인 모양입니다.
초점焦點
타원을 만드는 기준점 두 개. 태양은 그중 한쪽에 있고, 반대쪽 초점에는 아무것도 없습니다.
장반경 a長半徑
타원에서 가장 긴 지름의 절반. 궤도가 얼마나 큰지를 나타내는 값이고, 제3법칙에 들어가는 것이 이 값입니다.
이심률 e離心率
궤도가 얼마나 찌그러졌는지를 나타내는 수. 중심에서 초점까지의 거리를 장반경으로 나눈 값(e = c / a)입니다.
근일점 · 원일점近日點 · 遠日點
궤도에서 태양에 가장 가까운 지점과 가장 먼 지점. 지구는 1월 초에 근일점, 7월 초에 원일점을 지납니다.
공전 주기 T週期
궤도를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간. 지구는 1년, 화성은 약 1.9년, 해왕성은 약 165년입니다.
AU (천문단위)天文單位
태양과 지구 사이의 평균 거리를 1로 잡은 길이 단위. 1 AU는 약 1억 5천만 km입니다.
THEORY.LOG — 개념/15

케플러는 스승 티코 브라헤가 평생 맨눈으로 남긴 화성 관측 자료를 물려받았습니다. 원 궤도로는 8분(1도의 8분의 1)의 오차가 끝내 사라지지 않았고, 그 작은 어긋남을 버리지 않은 것이 세 법칙의 발견으로 이어졌습니다.

제1법칙

타원 궤도 법칙

행성은 태양을 한 초점으로 하는 타원을 그린다.

태양은 궤도의 가운데가 아닙니다. 그래서 태양과의 거리가 계속 변합니다.

r₁ + r₂ = 2a
제2법칙

면적 속도 일정 법칙

같은 시간에 쓸고 지나가는 넓이는 항상 같다.

그러려면 태양에 가까울 때 빨라지고, 멀 때 느려져야 합니다.

dA/dt = 일정
제3법칙

조화 법칙

주기의 제곱은 장반경의 세제곱에 비례한다.

멀리 있는 행성일수록 한 바퀴가 훨씬 오래 걸립니다.

T² ∝ a³

이렇게 관찰해보세요

  • 제1법칙두 선(r₁, r₂)의 길이는 계속 바뀌는데 아래 막대의 전체 길이는 변하지 않습니다.
  • 제1법칙타원 강조를 1×로 내려보세요. 지구 궤도가 원과 구별되지 않습니다 — 실제가 그렇습니다.
  • 제2법칙두 부채꼴의 넓이는 같은데 지나간 거리는 왜 다른지 살펴보세요.
  • 제2법칙핼리 혜성으로 바꿔보세요. 태양 근처를 쏜살같이 지나갑니다.
  • 제3법칙표의 마지막 열(T²/a³)을 위에서 아래로 훑어보세요. 전부 1입니다.

케플러는 이 셋을 관측에서 찾아냈을 뿐, 이유는 몰랐습니다. 70여 년 뒤 뉴턴이 만유인력 F = GMm/r²으로 세 법칙을 모두 유도하면서 하늘의 규칙과 땅의 역학이 하나로 이어졌습니다.

ELLIPSEr₁ + r₂ = 2a
EQUAL AREAdA/dt = πab / T
HARMONYT² ∝ a³