EssayAI
Блог
Блог
Естественные науки

Третий закон Кеплера: период орбиты через полуось

11 июня 2026Время чтения: 7 минут
#третий закон Кеплера#период орбиты#большая полуось#гармонический закон#астрономия

Третий закон Кеплера связывает период обращения планеты вокруг Солнца с размером её орбиты: чем дальше планета, тем медленнее она движется и тем длиннее её год. Этот закон называют гармоническим, потому что он выражает строгую пропорцию между T2T^2 и a3a^3 для всех тел одной планетной системы. Ниже вы найдёте вывод формулы, объяснение физического смысла и примеры расчётов. Попробуйте сначала поиграть с калькулятором ниже: задайте большую полуось и массу звезды, и период появится сразу.

Формулировка и запись третьего закона Кеплера

Третий закон Кеплера в классической формулировке: квадраты периодов обращения двух планет относятся как кубы их больших полуосей.

T12T22=a13a23\frac{T_1^2}{T_2^2} = \frac{a_1^3}{a_2^3}

Если в качестве единиц выбрать год и астрономическую единицу (среднее расстояние Земля - Солнце ≈1,496×1011\approx 1{,}496 \times 10^{11} м), формула принимает особенно чистый вид:

T2=a3,T [лет],  a [а. е.]T^2 = a^3, \quad T \text{ [лет]},\; a \text{ [а. е.]}

Для Земли: a=1a = 1 а. е., T=1T = 1 год - оба равны единице, закон выполняется. Для Марса: a=1,524a = 1{,}524 а. е., T=1,5243/2≈1,881T = 1{,}524^{3/2} \approx 1{,}881 года - именно столько длится марсианский год. Для Юпитера: a=5,203a = 5{,}203 а. е., T≈11,86T \approx 11{,}86 лет.

Период орбиты растёт с расстоянием по степенному закону: точки четырёх планет (Земля, Марс, Юпитер, Сатурн) ложатся на кривую T = a^(3/2). При переходе в координаты T^2 vs a^3 те же точки образуют прямую - это и есть наглядное доказательство третьего закона Кеплера

Вывод формулы из закона тяготения Ньютона

Кеплер получил закон эмпирически в 1619 году, опираясь на наблюдения Тихо Браге. Ньютон в 1687 году показал, почему он работает: закон тяготения F=GMm/r2F = G M m / r^2 вместе с условием равномерного кругового движения даёт точный вывод.

Для круговой орбиты радиуса aa (строго говоря, круговая орбита - частный случай эллиптической при e=0e = 0) центростремительная сила равна гравитационной:

mv2a=GMma2\frac{m v^2}{a} = \frac{G M m}{a^2}

Откуда скорость v=GM/av = \sqrt{GM / a}. Период - это длина окружности, делённая на скорость:

T=2πav=2πaGM/a=2πa3GMT = \frac{2\pi a}{v} = \frac{2\pi a}{\sqrt{GM/a}} = 2\pi \sqrt{\frac{a^3}{GM}}

Возведём в квадрат:

T2=4π2GM a3\boxed{T^2 = \frac{4\pi^2}{GM}\, a^3}

Множитель 4π2/(GM)4\pi^2 / (GM) постоянен для всей системы - отсюда и пропорциональность T2∝a3T^2 \propto a^3. В единицах СИ для Солнечной системы GM⊙=1,327×1020G M_\odot = 1{,}327 \times 10^{20} м3/^3/с2^2.

В астрономических единицах константа $4\pi^2/GM_\odot = 1$ в точности. Именно поэтому для планет Солнечной системы $T^2 = a^3$ без каких-либо числовых коэффициентов.

Что такое большая полуось орбиты

Реальные орбиты планет - не окружности, а эллипсы (первый закон Кеплера). Большая полуось aa - это половина наибольшего диаметра эллипса. Она связана с перигелием rminr_\text{min} и афелием rmaxr_\text{max} простым соотношением:

a=rmin+rmax2a = \frac{r_\text{min} + r_\text{max}}{2}

Для третьего закона важна именно aa, а не расстояние в данный момент. Это удобно: не нужно знать, где сейчас находится планета, - достаточно одной характеристики орбиты.

Зависимость T^2 от a^3 для планет Солнечной системы: все точки лежат на одной прямой с наклоном 1, что визуально доказывает третий закон Кеплера
Зависимость T^2 от a^3 для планет Солнечной системы: все точки лежат на одной прямой с наклоном 1, что визуально доказывает третий закон Кеплера

Эксцентриситет орбиты Земли e≈0,017e \approx 0{,}017 (почти круг), у Марса e≈0,093e \approx 0{,}093, у Меркурия e≈0,206e \approx 0{,}206. Для третьего закона это не важно: формула T2=4π2a3/(GM)T^2 = 4\pi^2 a^3 / (GM) справедлива для любого эллипса.

Обобщение на произвольную центральную массу

Если тело обращается не вокруг Солнца, а вокруг звезды другой массы MM, формула остаётся прежней:

T=2πa3GMT = 2\pi \sqrt{\frac{a^3}{GM}}

В единицах «лет / а. е. / масс Солнца» она принимает удобный вид:

T [лет]=a3/2 [а. е.]M [M⊙]T \, [\text{лет}] = \frac{a^{3/2} \, [\text{а. е.}]}{\sqrt{M \, [M_\odot]}}

Звезда в 4 раза тяжелее Солнца даёт в 2 раза меньший период при той же полуоси. Именно это уравнение вычисляет калькулятор выше.

Тот же закон применяют к спутникам планет. Для системы Земля - Луна: GM⊕=3,986×1014G M_\oplus = 3{,}986 \times 10^{14} м3/^3/с2^2, aЛуна≈3,844×108a_\text{Луна} \approx 3{,}844 \times 10^8 м, что даёт T≈27,3T \approx 27{,}3 суток - точное значение сидерического месяца.

Третий закон и орбитальная скорость

Из вывода выше следует: орбитальная скорость убывает с расстоянием как v∝a−1/2v \propto a^{-1/2}:

v=GMav = \sqrt{\frac{GM}{a}}

Земля движется со скоростью ≈29,78\approx 29{,}78 км/с, Марс - ≈24,13\approx 24{,}13 км/с, Юпитер - ≈13,07\approx 13{,}07 км/с. Именно потому, что дальние планеты движутся медленнее по более длинным орбитам, их годы несравнимо длиннее земного.

Второй и третий законы Кеплера неразрывно связаны: второй закон (равные площади за равные времена) автоматически выполняется в любом поле центральной силы, а третий - следствие конкретного вида $F \propto 1/r^2$.

Как решать задачи на третий закон Кеплера

Метод отношений - самый быстрый способ, когда дано сравнение двух тел одной системы. Если известен период одной планеты T1T_1 и её полуось a1a_1, а надо найти период второй с полуосью a2a_2:

T2T1=(a2a1)3/2\frac{T_2}{T_1} = \left(\frac{a_2}{a_1}\right)^{3/2}

Пример: полуось орбиты Урана a=19,19a = 19{,}19 а. е. Период: T=19,193/2≈84,0T = 19{,}19^{3/2} \approx 84{,}0 лет.

Формула через GG и MM - когда тело обращается вокруг тела с известной массой (спутник, экзопланета), и нужны единицы СИ. Алгоритм: подставить GG, MM, aa в метрах - получить TT в секундах.

Обратная задача - найти полуось по периоду: a=(T2)1/3a = (T^2)^{1/3} в единицах а. е./лет (при M=M⊙M = M_\odot).

Частые ошибки

  • Смешивание единиц. Формула T2=a3T^2 = a^3 работает только в годах и а. е. (и только для Солнечной системы). Для расчётов в СИ надо подставлять GG, MM, aa в метрах и получать секунды.
  • Пропуск квадратного корня. Из T2=a3T^2 = a^3 следует T=a3/2T = a^{3/2}, а не T=a3T = a^3. Типичная ошибка: взять куб вместо 3/23/2-й степени.
  • Забытый корень из массы. При переходе к другой звезде: T∝1/MT \propto 1/\sqrt{M}. Если масса в 4 раза больше, период в 2 раза меньше, а не в 4.
  • Большая полуось vs текущее расстояние. Для третьего закона нужна aa, а не мгновенное расстояние до Солнца в перигелии или афелии.
  • Эксцентриситет в формуле. Эксцентриситет орбиты не входит в третий закон Кеплера. Период определяется только полуосью и массой центрального тела.

FAQ

Почему закон называют гармоническим? Потому что он устанавливает «гармонию» - строгую числовую пропорцию - между характеристиками орбит всех тел одной системы. Именно этот термин использовал сам Кеплер, находившийся под влиянием пифагорейской идеи о музыке сфер.

Выполняется ли третий закон для спутников планет? Да, но константа в формуле другая: 4π2/(GMпланеты)4\pi^2 / (G M_\text{планеты}). Период ∝a3/2\propto a^{3/2} сохраняется, но теперь MM - масса планеты, а не Солнца. Луна и все искусственные спутники Земли подчиняются этому же закону.

Что значит, что зависимость линейная на графике T2T^2 vs a3a^3? В координатах T2=f(a3)T^2 = f(a^3) все планеты одной системы лежат на прямой, проходящей через начало координат. Наклон прямой равен 4π2/(GM)4\pi^2 / (GM). Отклонение точки от прямой означало бы, что на неё действует дополнительная сила, не предусмотренная законом тяготения. Именно таким способом в XIX веке поняли, что на Уран влияет неизвестная планета, - это привело к открытию Нептуна.

Коротко

Третий закон Кеплера T2=4π2a3/(GM)T^2 = 4\pi^2 a^3 / (GM) связывает период обращения любого тела с большой полуосью его орбиты и массой центрального объекта. В единицах лет и а. е. для Солнечной системы он принимает вид T2=a3T^2 = a^3. Закон выводится из ньютоновского тяготения, работает для любой центральной массы и не зависит от эксцентриситета орбиты. Главная практическая ценность: зная полуось, мгновенно находим период - и наоборот.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также

Адаптивная радиация: как предок даёт множество видов

Адаптивная радиация: как предок даёт множество видов

Адаптивная радиация: почему одна линия быстро расходится по экологическим нишам, примеры вьюрков и цихлид, условия процесса, таблица и отличия от простого расселения.

1 октября 20268 минут
Активные формы кислорода: виды, источники и защита

Активные формы кислорода: виды, источники и защита

Активные формы кислорода: супероксид, пероксид водорода, гидроксильный радикал и синглетный кислород. Источники АФК, реакция Фентона, ферменты защиты и редокс-сигналинг.

1 октября 20269 минут
Аминоацил-тРНК-синтетаза: как заряжается тРНК

Аминоацил-тРНК-синтетаза: как заряжается тРНК

Как аминоацил-тРНК-синтетаза выбирает аминокислоту и тРНК, зачем реакция идёт в два этапа, почему тратятся две макроэргические связи и как работает редактирование.

1 октября 20268 минут
Антивитамины: механизмы и примеры

Антивитамины: механизмы и примеры

Антивитамины: чем структурные аналоги отличаются от связывающих и разрушающих агентов. Разбираем сульфаниламиды, метотрексат, дикумарол, авидин и тиаминазу.

1 октября 20268 минут
Апоптоз и некроз: отличия двух форм гибели клеток

Апоптоз и некроз: отличия двух форм гибели клеток

Разбираем отличия апоптоза и некроза: морфологию, воспаление, каспазы, внешний и внутренний пути, роль цитохрома c, Bcl-2, фагоцитоза и лабораторных маркеров.

1 октября 20269 минут
Артерии эластического и мышечного типа

Артерии эластического и мышечного типа

Артерии эластического и мышечного типа: три оболочки стенки, эластические мембраны, гладкие миоциты, смешанные артерии, сосуды сосудов и атеросклероз.

1 октября 20268 минут