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La seconda legge di Keplero dedotta dalla legge di gravitazione universale

mercoledì 9 ottobre 2013, di Marcello De Vita

Vogliamo dimostrare che:
Se
la forza tra sole e pianeta è diretta verso il sole
Allora
La velocità aureolare è costante

Passo 1:
dimostriamo che se il sole non esercitasse forza il pianeta percorrerebbe aree uguali in tempi uguali Nella figura:

- il punto S rappresenta il sole,
- il punto P_1 il pianeta a un certo istante,
- il punto P_2 il pianeta dopo un dato intervallo di tempo \Delta t
- il punto P_3 la posizione del pianeta un altro intervallo di tempo \Delta t se il sole non esercita attrazione.

Tracciamo per S la retta s parallela al segmento \overline{P_1P_3} e consideriamo i triangoli \triangle{SP_1P_2} e \triangle{SP_2P_3}.

Essi hanno la stessa base in quanto il pianeta si muove di moto rettilineo uniforme e dunque  \overline{P_1P_2}=\overline{P_2P_3}

Hanno anche la stessa altezza \overline{SH}

Pertanto hanno la stessa area.

Passo 2
Il sole però esercita una forza, istante per istante in tutto il tempo considerato. Per considerare una buona approssimazione che ci permetta di capire come vanno le cose supponiamo che l’effetto del sole sia concentato a metà del tempo considerato, quando il pianeta si trova in P_2,

e che consista in una forza diretta verso di sé, come da ipotesi (la forza è diretta verso il centro del sole).

Allora, se la forza è diretta verso il sole, l’effetto sarà di produrre una accelerazione, dunque una velocità e dunque uno spostamento, nella direzione del sole S, che se non ci fosse tale forza non ci sarebbe.

Questo spostamento aggiuntivo  \overrightarrow{P_2C} (in rosso) si somma, secondo le regole dei vettori, allo spostamento che avrebbe il pianeta se la forza di attrazione non ci fosse  \overrightarrow{P_2P_3}.

Il risultato sarà che lo spostamento totale sarà dato da  \overrightarrow{P_2P_4}. e il pianeta si ritrova in P_4 invece che in P_3

Passo 3
Con attenzione possiamo notare che P_4 si trova su una retta passante per P_2 e parallela a \overline{SP_2}

Infatti per la regola del parallelogramma nella somma di vettori P_4 si trova su una retta p parallela a  \overrightarrow{P_2C}. E dunque a \overline{SP_2}.

Passo 4
Ma allora anche i triangoli SP_2P_3 (in azzurro) e SP_2P_4 (in rosso) hanno la stessa aree, in quanto
- hanno base comune SP_2
- hanno altezze congruenti h_3 e h_4 perché distanze tra la retta p e la retta per S e P_2 parallele per costruzione;

Passo 5 Dunque, per la proprietà transitiva dell’equivalenza tra aree, se

A_{SP_1P_2}=A_{SP_2P_3}

e

A_{SP_2P_3}=A_{SP_2P_4}

allora

A_{SP_1P_2}=A_{SP_2P_4}

Ovvero in tempi uguali \Delta t il pianeta spazza aree uguali A_{SP_1P_2}=A_{SP_2P_4} come affermato da Keplero

Animazione

Dimostrazione Seconda Legge di Keplero

Sposta il punto C per vedere che l’area dei triangoli rosso e blu è sempre la stessa qualunque sia lo spostamento verso il sole prodotto dalla forza di attrazione.

Puoi spostare anche P2

P.S.

Liberamente tratto da R. Feynman "La legge fisica"

PDF - 194 Kb
Feynman: Seconda legge di Keplero

vedi anche http://www.angeloangeletti.it/MATER...

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