37. DE OORZAAK VAN DE PLANETENBEWEGING.

Dat de zwaarte niet enkel een aardsch verschijnsel is, was vroeger

al dikwijls door schrijvers uit de oudheid en uit lateren tijd

gezegd. De bolvormige gedaante van de hemellichamen wees er op, dat

hun deeltjes op dezelfde wijze bij elkaar gehouden en naar een

middelpunt getrokken werden als bij de aarde. Wij voerden reeds aan

(blz. 178) wat Copernicus over de zwaarte bij andere lichamen

schreef. Ook Kepler dacht er zoo over, en hij vergeleek de

zwaartekracht met de magneetkracht, die kort te voren door den

Engelschen arts Gilbert nauwkeurig bestudeerd was. "Zwaarte is een

lichamelijke eigenschap, een wederzijdsch streven van verwante

lichamen, om zich met elkaar te vereenigen en te verbinden (waartoe

ook de magnetische kracht behoort) zóó, dat de aarde veel sterker

den steen aantrekt dan de steen de aarde." Maar men was niet in

staat, deze aantrekkende kracht met de beweging der hemellichamen in

verband te brengen. Wel moest, zoodra de zon als middelpunt der

planetenbanen erkend was, vanzelf de gedachte opkomen, dat in de zon

ook de oorzaak voor het rondloopen der planeten ligt. "Daarvoor, dat

de oorzaak van de planetenbeweging," schreef Kepler, "nergens anders

dan in het zonnelichaam moet gezocht worden, spreken vooral twee

feiten: ten eerste is de beweging van de verstverwijderde planeten

het langzaamst, en ten tweede loopt elke planeet sneller of

langzamer al naar haar afstand tot de zon, zóó, dat zij dicht bij de

zon het snelst, ver van de zon het langzaamst beweegt." Maar hij

zocht deze oorzaak in een wenteling van de zon, die de planeten

meesleept en ze zoo in hun cirkels doet rondloopen. Dat een

zwaartekracht, die de lichamen naar een middelpunt trekt, de oorzaak

voor een kringloop om dit middelpunt is -- dat kon bij niemand

opkomen, zoolang niet de grondslagen der bewegingsleer tot op deze

hoogte opgebouwd waren.

Eerst in de tweede helft van de 17de eeuw kon daarom de gedachte

opkomen en tot een algemeene overtuiging worden, dat een

aantrekkingskracht, die van de zon uitgaat, de beweging van de

planeten veroorzaakt. Bewezen was het echter alleen nog maar voor

een zuivere cirkelbaan, waarin de kracht en de snelheid altijd even

groot blijven. De planeten daarentegen bewegen zich volgens de

wetten van Kepler in ellipsen met wisselende snelheid. Is deze

beweging ook door een van de zon uitgaande aantrekking te verklaren,

en hoe verandert die kracht daarbij met den afstand? Men kon wel van

te voren vermoeden, dat op grooter afstand de kracht zwakker moest

worden; maar iets zekers was over de wet, die haar beheerschte, niet

bekend.

Het antwoord op al deze vragen werd door een Engelsch geleerde,

_Isaac Newton_, gegeven. Hij ging uit van de wetten van Kepler,

waarvan de beteekenis nu eerst aan het licht trad, toen hij er door

zijn wiskundig vernuft de wetten der aantrekkingskracht uit wist af

te leiden.

Een cirkelbaan ontstaat door een kracht, die naar het middelpunt is

gericht. Bij de planetenbaan staat de zon in een der brandpunten; is

hier de kracht naar dat brandpunt gericht? Newton kon deze vraag met

behulp van Kepler's wet der perken beantwoorden. Wanneer een lichaam

de rechte lijn A B C zonder eenige uiterlijke kracht doorloopt, legt

het in elke sekonde een even langen weg AB == B C af. De

verbindingslijn van het voorwerp met een middelpunt M strijkt in de

eerste sekonde over den driehoek A M B, in de tweede over den

driehoek B M C, en deze beide driehoeken zijn even groot. Treedt nu

echter voor een oogenblik, terwijl het in B is, een kracht op, die

naar het middelpunt M gericht is en het lichaam in 1 sekonde naar d

zou brengen, dan komt het door samenvoeging van de beide snelheden

in D. De vlakte, die nu in de tweede sekonde door den voerstraal

bestreken wordt, is driehoek B M D; maar deze driehoek is even groot

als B M C -- dus ook als A M B omdat ze de zijde B M gemeen hebben,

en de toppen C en D even ver van deze grondlijn verwijderd zijn.

[Illustratie]

Deze gelijkheid geldt alleen als C en D even ver van B M verwijderd

zijn, dus wanneer d op de lijn B M ligt. Wanneer de in B optredende

kracht, alleen, het lichaam op zij van de lijn B M zou aftrekken,

dan waren de driehoeken niet gelijk; ze zijn het echter altijd,

wanneer de kracht, die in B werkt, naar het middelpunt M gericht is;

dan is de bestreken driehoek in de 2de sekonde even groot als in de

eerste. Dit geldt natuurlijk ook, wanneer de kracht niet enkel een

oogenblik in B een stootje geeft, maar voortdurend werkt en zoo de

baan regelmatig buigt. Newton kon op die manier als algemeene

waarheid bewijzen, dat, _wanneer bij een beweging de gelijkheid der

perken ten opzichte van een centrum geldt, er een kracht werkt, die

naar dit centrum gericht is_; en omgekeerd geldt hetzelfde. En daar

wij door de wet van Kepler weten, dat voor de planeten de gelijkheid

der perken met betrekking tot de zon geldt, kon Newton als zijn

_eerste wet_ vaststellen: _de oorzaak van de planetenbeweging is een

aantrekkingskracht, die naar de zon gericht is_.

Uit de tweede wet van Kepler, die zegt dat de planetenbanen ellipsen

zijn, was nu zonder moeite te vinden, volgens welke wet de

aantrekkingskracht met den afstand tot de zon verandert. Daartoe

vergelijken wij de beide plaatsen van de ellips met elkaar, die aan

het einde der groote as tegenover elkaar liggen: de eene het dichtst

bij de zon, de andere het verst er af. In die beide plaatsen heeft

de baan precies denzelfden vorm, maar zij wordt er met verschillende

snelheid doorloopen. Nemen wij zulk een ellips, dat de grootste

afstand in C 2 maal zoo groot is als de kleinste afstand in A. Loopt

de planeet op beide plaatsen hetzelfde stuk AB == C E in haar baan

voort, dan wordt zij in beide gevallen door de zon een even groot

bedrag b B == e E van den rechten weg afgetrokken. Maar deze

valhoogten worden niet in denzelfden tijd doorloopen; de weg C E op

den grooten afstand tot de zon eischt den dubbelen tijd, omdat hier

de snelheid half zoo groot is als in A.

[Illustratie]

Daar de valhoogte in een tweemaal grooter tijd viermaal grooter

wordt, zou de planeet in C in denzelfden tijd slechts viermaal zoo

weinig naar de zon toe vallen als in A; de valhoogte d D, die bij

den halven weg C D en bij hetzelfde tijdsverloop behoort, is 1/4 van

b B. De kracht, waarmee de zon de planeet van den rechten weg

aftrekt, is dus in C viermaal kleiner dan in A. Wij kunnen dezelfde

redeneering toepassen op een ellips, waarbij de grootste afstand tot

de zon 10 maal grooter is dan de kleinste afstand; de weg in C zou

dan voor een gelijk tijdsverloop 10 maal kleiner en de valhoogte 100

maal kleiner zijn dan in A. Zoo vindt men als _tweede wet_ van

Newton: _de van de zon uitgaande aantrekkingskracht neemt bij

toenemenden afstand in verhouding tot het kwadraat van den afstand

af_.

Newton bewees streng wiskundig, dat dit ook voor alle andere punten

van de ellips opgaat. Uit deze beide eerste wetten van Kepler laat

zich dus de wet van de aantrekkingskracht volkomen afleiden. Maar

wij kunnen de verandering met den afstand ook nog op andere wijze

vinden, namelijk uit de derde wet van Kepler. Wij nemen daarvoor het

geval van twee planeten, die zich in cirkels om de zon bewegen, de

eene viermaal verder dan de andere. Naar de derde wet moet dan haar

omloopstijd 8 maal grooter en haar snelheid half zoo groot zijn als

bij de andere. Hebben beide hetzelfde gedeelte van hun baan

afgelegd, dan zijn de weg A B en de valhoogte B C bij de verste

planeet 4 maal grooter dan bij de andere; om dezelfde valhoogte b c

te hebben, moet zij slechts halfzoover, tot D loopen. Deze weg A D

is nog tweemaal zoo lang als a c en wordt tweemaal zoo langzaam

doorloopen, eischt dus den vierdubbelen tijd. Op viermaal grooter

afstand van de zon is dus een viermaal grooter tijd noodig om door

de werking der zonskracht eenzelfde hoogte te vallen; in gelijke

tijden zou dus de valhoogte bij de verste planeet 1/16 van die bij

de naaste planeet zijn; m. a. w: de aantrekking van de zon

vermindert op viermaal grooter afstand tot een zestiende.

[Illustratie]

Schijnbaar hebben we hier nog eens hetzelfde gevonden, wat wij al

wisten. Maar er is toch een verschil. De eerste afleiding leerde

ons, dat _dezelfde_ planeet, wanneer zij op den dubbelen afstand van

de zon komt, viermaal zwakker aangetrokken wordt. De laatste

afleiding leert ons daarentegen, dat _een andere_ planeet op den

dubbelen afstand viermaal zwakker aangetrokken wordt dan de eerste;

dus, dat verschillende planeten, op gelijken afstand van de zon

geplaatst, even sterk door de zon worden aangetrokken en door die

aantrekking een even groote versnelling krijgen. Daar wij mogen

aannemen, dat de verschillende planeten nu niet precies dezelfde

stoffelijke samenstelling hebben, volgt hieruit de derde wet van

Newton:

_de aantrekkingskracht is onafhankelijk van de bijzondere

stoffelijke samenstelling der wereldlichamen_.

Zoo was de oorzaak van de planetenbeweging volkomen opgehelderd. De

wetten, die op grond van Kepler's berekeningen als niet meer dan

ervaringsregels konden gelden, hadden hier tot een algemeene

grondwet gevoerd, die ze in zich besloot. Daardoor verdween meteen

hun toevalligheid; terwijl te voren niet in te zien was, waarom

juist tusschen het kwadraat van den omloopstijd en de derde macht

van den afstand een vaste betrekking moest bestaan, en waarom de

banen juist ellipsen moesten zijn, kregen deze wetten van Kepler nu

een innerlijke noodzakelijkheid als uitvloeisels van een veel

algemeenere eenvoudige grondwet. De zon oefent op de planeten een

aantrekkingskracht uit, die omgekeerd evenredig met het vierkant van

den afstand afneemt en op verschillende stoffen even sterk werkt.

Ten gevolge van deze aantrekking bewegen de planeten zich volgens de

wetten van Kepler in hun banen.

De Wonderbouw der Wereld · 第 55 / 64 题