Tudo no universo está em movimento. As luas orbitam planetas, que por sua vez orbitam estrelas. As galáxias têm milhões e milhões de estrelas orbitando dentro delas e, em escalas muito grandes, as galáxias orbitam em aglomerados gigantes. Em uma escala do sistema solar, notamos que a maioria das órbitas é amplamente elíptica (uma espécie de círculo achatado). Objetos mais próximos de suas estrelas e planetas têm órbitas mais rápidas, enquanto objetos mais distantes têm órbitas mais longas.
Demorou muito tempo para os observadores do céu descobrirem esses movimentos, e sabemos sobre eles graças ao trabalho de um gênio renascentista chamado Johannes Kepler (que viveu de 1571 a 1630). Ele olhou para o céu com grande curiosidade e uma necessidade ardente de explicar os movimentos dos planetas enquanto eles pareciam vagar pelo céu.
Kepler era um astrônomo e matemático alemão cujas idéias alteravam fundamentalmente nossa compreensão do movimento planetário. Seu trabalho mais conhecido deriva de seu emprego pelo astrônomo dinamarquês
Tycho Brahe (1546-1601). Ele se estabeleceu em Praga em 1599 (então o local da corte do imperador alemão Rudolf) e se tornou astrônomo da corte. Lá, ele contratou Kepler, que era um gênio matemático, para realizar seus cálculos.Kepler estudara astronomia muito antes de conhecer Tycho; ele favoreceu a visão de mundo copernicana que dizia que os planetas orbitavam o sol. Kepler também correspondeu a Galileu sobre suas observações e conclusões.
Eventualmente, com base em seu trabalho, Kepler escreveu vários trabalhos sobre astronomia, incluindo Astronomia Nova, Harmonices Mundie Epítome da astronomia copernicana. Suas observações e cálculos inspiraram gerações posteriores de astrônomos a desenvolver suas teorias. Ele também trabalhou em problemas na óptica e, em particular, inventou uma versão melhor do telescópio refrator. Kepler era um homem profundamente religioso e também acreditava em alguns princípios da astrologia por um período durante sua vida.
Kepler foi designado por Tycho Brahe o trabalho de analisar as observações que Tycho fizera do planeta Marte. Essas observações incluíram algumas medições muito precisas da posição do planeta que não concordavam com as medições de Ptolomeu ou com as descobertas de Copérnico. De todos os planetas, a posição prevista de Marte teve os maiores erros e, portanto, apresentou o maior problema. Os dados de Tycho eram os melhores disponíveis antes da invenção do telescópio. Enquanto pagava a ajuda de Kepler, Brahe guardava seus dados com inveja e Kepler frequentemente lutava para obter os dados necessários para realizar seu trabalho.
Quando Tycho morreu, Kepler conseguiu obter os dados observacionais de Brahe e tentou entender o que eles queriam dizer. Em 1609, no mesmo ano em que Galileo Galilei primeiro, girando o telescópio em direção ao céu, Kepler vislumbrou o que achava que poderia ser a resposta. A precisão das observações de Tycho foi boa o suficiente para Kepler mostrar que a órbita de Marte se ajustaria com precisão à forma de uma elipse (uma forma alongada, quase em forma de ovo, do círculo).
Sua descoberta fez Johannes Kepler o primeiro a entender que os planetas em nosso sistema solar se moviam em elipses, não em círculos. Ele continuou suas investigações, finalmente desenvolvendo três princípios de movimento planetário. Elas ficaram conhecidas como Leis de Kepler e revolucionaram a astronomia planetária. Muitos anos depois de Kepler, Sir Isaac Newton provou que todas as três leis de Kepler são um resultado direto das leis da gravitação e da física que governam as forças em ação entre vários corpos maciços. Então, quais são as leis de Kepler? Aqui está uma rápida olhada neles, usando a terminologia que os cientistas usam para descrever os movimentos orbitais.
A primeira lei de Kepler afirma que "todos os planetas se movem em órbitas elípticas com o Sol em um foco e o outro vazio." Isso também se aplica aos cometas que orbitam o Sol. Aplicado aos satélites da Terra, o centro da Terra se torna um foco, com o outro foco vazio.
A segunda lei de Kepler é chamada lei das áreas. Esta lei afirma que "a linha que une o planeta ao Sol varre áreas iguais em intervalos de tempo iguais". Para entender a lei, pense em quando um satélite orbita. Uma linha imaginária que a une à Terra varre áreas iguais em períodos iguais de tempo. Os segmentos AB e CD levam o mesmo tempo para cobrir. Portanto, a velocidade do satélite muda, dependendo da distância do centro da Terra. A velocidade é maior no ponto da órbita mais próxima da Terra, chamada perigeu, e é mais lenta no ponto mais distante da Terra, chamada apogeu. É importante notar que a órbita seguida por um satélite não depende de sua massa.
A 3ª lei de Kepler é chamada lei dos períodos. Esta lei relaciona o tempo necessário para que um planeta faça uma viagem completa ao redor do Sol até sua distância média do Sol. A lei afirma que "para qualquer planeta, o quadrado de seu período de revolução é diretamente proporcional ao cubo de sua distância média do Sol". Aplicada aos satélites da Terra, a 3ª lei de Kepler explica que quanto mais longe um satélite estiver da Terra, mais tempo levará para concluir uma órbita, maior será a distância percorrida para completar uma órbita e mais lenta será sua velocidade média estar. Outra maneira de pensar nisso é que o satélite se move mais rápido quando está mais próximo da Terra e mais lento quando está mais distante.