Seorang ilmuwan yang bernama Johannes Kepler menemukan
hukum yang mengatur pergerakan Bumi mengelilingi matahari, khususnya yang
menyangkut perubahan jarak Bumi ke matahari. Hukum-hukum Kepler tentang
peredaran Bumi mengelilingi matahari dapat dinyatakan sebagai berikut:
Hukum 1: Planet-planet bergerak dalam orbit berupa
elips, dengan matahari terletak di salah satu fokusnya
Hukum 2: Garis yang menghubungkan tiap planet dengan
matahari dalam waktu yang sama menyapu luasan bidang yang sama
Hukum 3:
Kuadrat dari perioda (waktu edar) setiap planet sebanding dengan pangkat
tiga dari jarak rata-rata planet dari matahari
Hukum
Kepler mempertanyakan kebenaran astronomi dan fisika warisan
zaman Aristoteles dan Ptolemaeus. Ungkapan Kepler bahwa Bumi
beredar sekeliling, berbentuk elips dan bukannya epicycle, dan membuktikan
bahwa kecepatan gerak planet bervariasi, mengubah astronomi dan fisika. Hampir
seabad kemudian, Isaac Newton mendeduksi Hukum Kepler dari rumusan
hukum karyanya, hukum gerak dan hukum gravitasi Newton, dengan menggunakan
Euclidean geometri klasik.
Pada
era modern, hukum Kepler digunakan untuk aproksimasi orbit satelit dan
benda-benda yang mengorbit Matahari, yang semuanya belum ditemukan pada saat
Kepler hidup (contoh: planet luar dan asteroid). Hukum ini kemudian
diaplikasikan untuk semua benda kecil yang mengorbit benda lain yang jauh lebih
besar, walaupun beberapa aspek seperti gesekan atmosfer (contoh: gerakan di
orbit rendah), atau relativitas (contoh: prosesi preihelion merkurius), dan
keberadaan benda lainnya dapat membuat hasil hitungan tidak akurat dalam
berbagai keperluan.
1. Hukum Kepler Pertama
“Orbit
setiap planet berbentuk elips dengan matahari berada di salah
satu fokusnya”
Elips
adalah bentuk bangun datar yang merupakan salah satu dari irisan kerucut
(selain lingkaran, hiperbola, dan parabola). Dimana eksentrisitas elips
bernilai antara 0 dan 1. Lintasan suatu planet mengelilingi matahari akan berupa
sebuah elips, dan matahari akan
selalu berada di salah satu dari dua focus elips tersebut.
Hukum
pertama kepler jelas-jelas menentang pernyataan Nicolaus Copernicus yang
menyatakan bahwa orbit planet berbentuk lingkaran dengan matahari berada di
pusat lingkaran. Dan terbukti dari hasil pengamatan bahwa orbit elips Kepler
dapat memberikan
posisi yang lebih akurat dibandingkan orbit lingkaran.
Kesalahan
Copernicus ini dapat dipahami sebab meskipun memiliki lintasan elips, namun
eksentrisitas orbit planet mendekati nol, sehingga sekilas akan tampak
mendekati lingkaran, bahkan untuk perhitungan-perhitungan sederhana kita boleh
mengasumsikan orbit planet adalah lingkaran.
2. Hukum Kepler Kedua
“vektor
radius suatu planet akan menempuh luas areal yang sama untuk selang waktu
yang sama”
Vektor
radius ialah garis hubung antara planet dengan pusat gravitasi (matahari). Gambaran
dari hukum kepler kedua ialah :
Apabila
Planet membutuhkan waktu yang sama untuk menempuh P1 – P2 dan P3 – P4, maka
luas areal P1 – F – P2 akan sama dengan P3 – F – P4, begitu pula sebaliknya.
Dengan kata lain kita dapat menyatakan bahwa kecepatan angulernya konstan.
Karena
planet selalu mematuhi hukum kepler, maka konsekuensi dari hukum kedua kepler ini ialah
kecepatan linear planet di setiap titik di orbitnya tidaklah konstan, tetapi
bergantung pada jarak planet. Contohnya planet akan bergerak paling cepat saat dia
ada di perihelium, dan akan bergerak paling lambat saat dia ada di aphelium.
3. Hukum Kepler Ketiga
“pangkat
tiga sumbu semi major orbit suatu planet sebanding dengan kuadrat dari periode
revolusi planet tersebut”
Kepler
menemukan hubungan diatas, atau apabila sumbu semi mayor kita nyatakan dengan a
dan periode revolusi planet kita nyatakan dengan T, maka secara matematis hukum
ketiga kepler dapat ditulis :
Ternyata
untuk benda-benda yang mengelilingi pusat gravitasi yang sama, besarnya
kontanta akan sama, misalnya bagi planet Venus dan planet Bumi, atau bagi Io
dan Europa. Untuk benda-benda yang memenuhi syarat tersebut berlaku :
Apabila
benda yang kita tinjau adalah planet yang mengitari matahari, dan kita nyatakan
a dalam Satuan Astronomi dan T dalam tahun, maka kita akan mendapati
Persamaan di atas adalah bentuk sederhana dari hukum kepler
3, namun hanya bisa digunakan apabila a dinyatakan dalam Satuan Astronomi, T
dalam tahun dan pusat gravitasi adalah benda bermassa sama dengan matahari. Perlu
diingat bahwa hukum kepler tidak hanya berlaku pada planet di tata surya saja,
namun juga berlaku pada satelit planet-planet, asteroid, komet, pada sistem
bintang ganda, dan lain-lain.