Newton kendi kütleçekimi ve hareket yasaları ile Güneş merkezli – yermerkezli evren tartışmalarını giderdi ve yörüngelerin nedenlerini açıkladı.
Yermerkezli mi? Güneş merkezli mi?
Antik Yunan’lılar zamanından Batlamyus evrenin bir yermerkezli modelini öne sürdü. Batlamyus Dünya’nın evrenin merkezinde olduğunu ve Güneş, Ay, gezegenler ile yıldızların Dünya etrafında döndüğünü düşünüyordu.
16. Yüzyılda, Copernicus güneş sisteminin olduğu bir güneş merkezli model öne sürdü. O Dünya ve diğer gezegenlerin Güneş etrafında döndüğünü öneriyordu. Ancak tartışmalar kızıştı: evren yermerkezli mi yoksa güneşmerkezli mi? Copernicus gezegenlerin neden Güneş’in yörüngesinde olması gerektiğine dair bir fiziksel neden ortaya koyamadı ancak sonraları Newton perdeyi aralayan adam olacaktı.
Newton yasaları gezegenleri Güneş’in yörüngesinde zorunlu kılıyor
Newton’un ilk yasası eğer dış kuvvet bir cisim üzerine etki ederse o cismin ivmelendiğini veya hareketinin yönü ya da hızının değişebileceğini söyler. İkinci yasasına göre, daha büyük kütleli cisimler ivmelenmek için daha fazla kuvvete gerek duyarlar. Newton’un üçüncü yasası da Dünya üzerine Güneş tarafından uygulanan kütleçekimsel (yerçekimsel) kuvvetin Dünya’nın Güneş üzerine uyguladığı kütleçekimsel kuvvete eşit ama zıt yönde olduğunu söyler.
Güneş üzerine Dünya’nın uyguladığı kuvvet Dünya üzerine Güneş’in uyguladığı kuvvetin büyüklüğü ile eşittir ancak Güneş Dünya’dan çok daha büyük bir kütleye sahiptir. Yani, bu kuvvet Güneş’ten daha fazla Dünya’yı etkileyecektir. Dünya ve diğer gezegenler, böylelikle Güneş’in yörüngesinde sabit kalırlar. Karşılıklı kütleçekim kuvvetleri daha az kütleli cismi daha fazla ivmelendirir. Aynı nedenden dolayı cisimler Dünya üzerine düşer ve Dünya yukarı doğru yönelmez.
Kütleçekimi yörüngeye nasıl neden olur?
Bir ipin ucuna bir ağırlık bağlayın, sonra onu bir daire etrafında döndürün. Ağırlık üzerine ipin kuvveti etki eder, bu kuvvete gerginlik deriz, ve bu gerginlik dairenin merkezine doğru hareket ettirir. Dairesel bir hareketin merkezine doğru olan herhangi bir kuvvete merkezkaç kuvveti denir. Ayrıca eğer ipi bırakırsak, ipin ucundaki ağırlığın doğrusal olarak hareket ettiğini de unutmamak gerekir.
Bir cisim üzerine bir dış kuvvet uygulandığında cisim sadece ivmelenir. Eğer kuvvet hızın yönüne dikse, ivmelenme süratten ziyade hızın yönünü değiştirir.
Bir ipe bağlı ağırlıkta olduğu gibi, bir gezegen üzerine Güneş’in uyguladığı kütleçekimi kuvveti gezegenin hızının yönüne diktir. Kütleçekimi gezegenleri Güneş’in yörüngesinde tutan merkezkaç kuvvetin yerine geçer. Bir ipte olduğu gibi, Güneş’in kütleçekimi kuvveti gezegenin hızının yönünü sürekli olarak değiştirir, böylece Dünya Güneş’in etrafında neredeyse dairesel bir yörüngede döner. Dünya’nın kütleçekimi ise aynı yolla Ay’ın Dünya’nın yörüngesinde dolanmasına neden olur.
Kütleçekimi aniden kaybolursa, Dünya ve diğer gezegenler Newton’un birinci yasasına göre bir doğru üzerine hareket etmeye devam ederler.
Kütle Merkezi
Dünya ve gezegenler Güneş’in yörüngesinde dolanırlar çünkü onların kütleleri Güneş’ten daha azdır. Eğer iki cisim, iki yıldız diyelim, aynı kütleye sahipse onlar karşılıklı kütle merkezlerinden eşit uzaklıkta bulunurlar. Burada aralarındaki uzaklığın yarısı karşılıklı kütle merkezine işaret eder.
Biz gezegenlerin Güneş’in yörüngesinde olduğunu söyleriz fakat teknik olarak onların her biri karşılıklı kütle merkezinin yörüngesinde hareket ederler. Çünkü Güneş gezegenlerden çok daha fazla kütleye sahip ve karşılıklı kütle merkezi de Güneş’in kütle merkezine çok yakındır
ama kesinlikle orası değildir. Gezegenler Güneş etrafında çok geniş bir yörüngede dolanırlar. Karşılıklı kütle merkezi civarındaki Güneş’in çok küçük yörüngesi son derece küçük bir yalpalama üretir.
Diğer yıldızlarda bu güçlükle saptanabilen yalpalama güneşdışı gezegenleri tespit etmemize olanak tanır.
Newton’un yasaları evrenin yermerkezli mi Güneş merkezli mi tartışmalarını gidermiş ve gezegenlerin neden Güneş’in yörüngesinde olduklarını bize açıklamış oldu. Artık biliyoruz ki gezegenler kendilerinden çok daha büyük kütleli yıldızların yörüngelerinde dolanırlar.
Kaynak: Paul A. Heckert, Why Do Earth & Planets Orbit Sun?, http://suite101.com/article/why-do-earth-planets-orbit-sun-a42229