O brilho e o movimento dos astros sempre despertaram a curiosidade dos homens. Em todas as etapas da civilização, eles procuraram dar uma explicação para os fascinantes fenômenos de gravitação universal.
Os gregos, por exemplo, deduziram que a Terra ocupava o centro do Universo e em torno dela giravam outros corpos celestes, em perfeitos círculos concêntricos. Esse sistema, conhecido como geocêntrico (geo = centro) foi sistematizado pelo astrônomo grego Hiparco ( século II a.C.).
Mas o astrônomo grego Aristarco de Samos (310-230 a.C) pensava de modo diferente. Foi o primeiro a afirmar que todos os planetas, inclusive a Terra, giravam em torno do sol. Assim, ao contrário do sistema geocêntrico concebido por seus compatriotas, Samos imaginou um sistema heliocêntrico (Helio = sol). Entretanto, na época, ele não teve crédito, porque, favorecida pelo geocentrismo, os gregos aceitavam a idéia de que o homem era o centro do Universo.
No século II, o sistema geocêntrico foi desenvolvido e consagrado por Cláudio Ptolomeu, grande astrônomo de Alexandria, no Egito.
Somente no século XVI a teoria heliocêntrica viria se firmar novamente, graças aos estudos do cônego polonês Nicolau Copérnico (1473-1543) que, discordando do sistema ptolomaico, aceito e defendido até então, renovou a teoria de Aristarco, afirmando que o Sol era realmente o centro das órbitas planetárias. Essa reafirmação suscitou muito debate e discussão.
A observação dos fenômenos celestes levou outro astrônomo, o dinamarquês Tycho Brahe (1506-1601), a elaborar uma teoria intermediária: ele concluiu que os planetas giravam em torno do Sol e a Lua girava em torno da Terra. Suas observações levaram o alemão Johannes Kepler (1571-1630) a elaborar algumas leis que convenceram os pesquisadores sobre a realidade di heliocentrismo, estabelecendo ainda que órbitas eram elípticas, e não circulares.
Mas muitos ainda negavam a teoria copernicana. Por exemplo, o italiano Galileu Galilei (1564 -1642), um dos maiores pesquisadores que a ciência conheceu, foi acusado de herege pela Igreja Católica porque afirmava que a Terra não era fixa e fazia parte do sistema solar.As conclusões de Kepler e Galileu foram coroadas pelos estudos de Isaac Newton (1643-1727), físico e matemático inglês, autor da lei da gravitação universal, que explica a mecânica celeste.
A História:
Johannes Kepler nasceu ás 14h 30min do dia 27 de dezembro de 1571, na pequena cidade de Weil de Stadt, na região de Wuttemburg, no Sacro Império Romano Germânico. Seu pai era um soldado mercenário e mãe era filha de um estalajadeiro. Segundo ele mesmo comentaria mais tarde, com alguma ironia, o nascimento parece não ter sido presidido por uma configuração favorável dos astros.Logo na infância, a varíola e a escarlatina deformaram-lhe as mãos e debilitaram irremediavelmente sua visão. Aos 5 anos ficou órfão de pai, que supõe-se tenha morrido BA guerra da Holanda. Foi com a mãe, então, morar com o avô em sua estalagem. Sendo muito franzino para ajudar no trabalho braçal, retoma os estudos aos 12 anos, quando ingressa no seminário. Torna-se o aluno predileto do padre Michel Mastlin, um astrônomo de grande prestígio e quem primeiro mostra a Kepler as idéias heliocêntricas de Copérnico. Embora ensinasse astronomia no seminário segundo as idéias de Ptolomeu (sistema geocêntrico), para alguns alunos de sua confiança ele revelava a concepção de Copérnico, secretamente adotada.
Anos mais tardes, Kepler sai do seminário ao discordar de alguns pontos defendidos pelos luteranos e não aceita se converter ao catolicismo, tornando-se inconveniente para ambas as correntes religiosas. Com o crescimento da intolerância religiosa durante a guerra dos Trinta Anos, ele passa a ser perseguido na Alemanha. Em 1596 escreve sua primeira defesa aberta ao sistema de Copérnico, na obra Mysterium Cosmographicum. Nesse livro ele procura explicar a sequência das órbitas dos planetas no sistema heliocêntrico, as grandes distancias entre as órbitas e o porquê de existirem apenas seis planetas orbitando o Sol: Saturno, Júpiter, Marte, Terra, Vênus e Mercúrio. A obra mereceu elogios de Galileu Galilei e um convite de Tycho Brahe para ser seu assistente em Praga, onde exercia o cargo de astrônomo oficial da corte do imperador Rodolfo II.
Aos 26 anos, casou-se com uma jovem viúva rica, BárbaraMuller, e muda-se para Praga para trabalhar com Tycho após o arquiduque da Áustria decretar o exílio de todos os protestantes. Quando Tycho morre, em 1601, uma série de medidas feitas por ele das posições que os planetas vinham ocupando em redor do Sol. Brahe esperava que a organização desses dados e mais algumas informações ajudassem a uma decisão final sobre a questão do heliocentrismo.
No caso do planeta Marte, era enorme o número de informações acumuladas, apesar disso, parecia impossível encontrar uma órbita circular que satisfizesse a maior parte dos dados com precisão satisfatória. Após três anos de tentativas frustradas e trabalho intenso, ele concluiu que a órbita não era circular e sim uma elipse, com o Sol ocupando um dos focos. Então, em 1605, surgem os enunciados das duas primeiras leis de movimento planetário que levam seu nome.
Seu trabalho foi impresso em 1609, com o título de Astronomia nova. Foi a partir dessas observações que, mais tarde, Newton pôde enunciar a lei da gravitação universal. A obra continha, além disso, afirmações referentes à gravidade e estudava o movimento o movimento das marés, atribuído pro Kepler à atração da Lua.
Além dos resultados com Marte, Kepler trabalhou em Óptica: apareceu com a primeira teoria matemática da câmera obscura e a primeira explicação correta do funcionamento do olho humano, inclusive mostrando a formação da imagem invertida na retina. Esses resultados foram publicados no Suplemento a Witello, na parte óptica da astronomia (Frankfurt, 1604).
Em 1610, após ler o livro de Galileu que conta a descoberta dos satélites de Júpiter com uma luneta, Kepler decide estudar as propriedades das lentes. Escreveu u trabalho (Dióptrica) no qual apresenta um novo modelo de telescópio, usando duas lentes convexas. O modelo, no qual a imagem final é invertida, foi tão bem-sucedido que hoje é conhecido simplesmente como o telescópio astronômico.
Ao final de 1611, vários infortúnios familiares se sucedem: morre um filho de sete anos e em seguida a esposa; é obrigado a mudar-se de Praga para Liz, em razão da perseguição aos protestantes; em 1612 é excomungado por suas idéias revolucionárias; morre mais duas filhas e, em 1616, sua mãe Katharina Kepler é presa acusada de feitiçaria. De 1616 a 1622, ele faz inúmeras viagens à sua cidade natal para cuidar da defesa da mãe, e essa atuação perseverante e seu prestígio científico levam os juízes a libertar a acusada.
O livro Harmonices mundi é publicado em 1619, como continuação ás idéias cosmológicas contidas no seu Mysterium Cosmographicum. É no livro Harmonices que está escrita a terceira lei do movimento planetário, chamada lei dos períodos.
Por esse resultado, Kepler foi considerado o pai da mecânica celeste.
Em 1627, após deixar Linz e ficar assediado pela miséria, desemprego e problemas religiosos, publica as Tabelas Rudolfinas de Tycho Brahe, amigo e mestre de Praga. A obra incluía tábuas de logaritmos e um catálogo de 777 estrelas, aumentado por Kepler para 1005. Durante mais de um século, apesar de alguns erros, essas tabelas seriam adotadas pelos astrônomos para calcular a posição dos planetas. A precisão da obra serviu como garantia de que o sistema heliocêntrico era a descrição mais correta do Universo.
Kepler morreu em 1630, durante uma viagem, longe de amigos e da família.
Leis de Kepler
No século XVII, Johannes Kepler enunciou as leis que regem o movimento planetário, utilizando em seus estudos as anotações do astrônomo dinamarquês Tycho Brahe.
Kepler formulou três leis a respeito do movimento dos planetas. Para estudá-las vamos antes verificar algumas características da elipse.
Podemos facilmente construir uma elipse se tivermos uma folha de papel sobre um plano, percevejos, lápis e um barbante. Fixamos os dois percevejos (F1 e F2) no papel e marramos neles um barbante de comprimento maior que a distancia F1F2. Com a ponta de um lápis (P), mantendo o barbante sempre esticado, podemos traçar uma curva fechada chamada elipse. A soma das distâncias PF1 e PF2, corresponde ao comprimento do barbante. Portanto, PF1 + PF2 = constante.
Elipse: é o conjunto de pontos de um plano, cuja soma das distâncias a dois pontos fixos desse plano é constante e maior que a distancia entre esses pontos.
1ª Lei – Lei das órbitas
Os planetas descrevem órbitas elípticas em torno do Sol, que ocupa um dos focos da elipse.
Qualquer planeta girando em torno do Sol descreve uma órbita elíptica na qual o Sol ocupa um dos focos.
Além de verificar que a órbita de Marte não é circular, Kepler também percebeu através de suas observações que o movimento do planeta ao longo da órbita não é uniforme: a velocidade é maior quando ele está mais próximo do Sol. Kepler procurou entender estes resultados em termos de uma ação do Sol, como causa dos movimentos dos planetas. Para isto, imaginou um modelo extremamente peculiar, em que o Sol teria uma rotação em torno de seu eixo e emitiria raios, confinados somente ao plano da órbita, que atuariam lateralmente sobre o planeta, “varrendo-o” em torno da órbita. Imaginou assim uma “força” que teria todas as características erradas: confinada ao plano da órbita, tangencial a órbita em lugar de central, e supôs ainda que variasse inversamente coma distância. Partindo desse modelo inteiramente errado, Kepler fez um cálculo também errado das áreas varridas pelo raio vetor que liga cada planeta ao Sol, e acabou chegando, miracaculosamente, a lei certa.
A correção do sistema de Copérnico, procurada por Kepler é expressa por sua primeira lei. Seus estudos o levaram a concluir que, realmente,os planetas se movem em torno do sol, mas suas órbitas são elípticas e não circulares, como suponha Copérnico. Além disso, Kepler verificou que o sol está em um dos focos da elipse.
Devemos salientar que a órbita de um planeta não é uma elipse tão alongada. Na realidade, as órbitas pouco diferem de uma circunferência e é realmente impressionante como as medidas de Tycho Brahe puderam ser tão precisas que possibilitaram ao gênio de Kepler descobrir que as órbitas são elipses.
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