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Schwerkraft

Was hält eigentlich das Weltall zusammen? Warum fliegt der Mond nicht einfach davon? Warum dreht sich alles um die Sonne und bleibt nicht einfach stehen?

Warum fallen wir nicht einfach von der Erde? Und die auf der anderen Seite der Erde, stehen die alle auf dem Kopf?

... oder einfacher gefragt:

Wenn ich einen Ball hoch in die Luft werfe,
warum landet der dann wieder auf dem Boden?

Diese Abbildung zeigt einen geworfenen Ball zu unterschiedlichen Zeiten.

Wurfbahnen

Auf den geworfenen Ball wirken zwei Kräfte, der Luftwiderstand, der durch den Zusammenstoß des Balles mit den vielen kleinen Atomen der Luft zustande kommt und die Bewegung des Balles abbremst und gleichzeitig eine Kraft nach unten, die Isaak Newtondie Schwerkraft oder die Gravitationskraft nannte.

Die beiden Kräfte habe ich für die zwei markierten Positionen des Balles, angedeutet durch die Richtung der Geschwindigkeit, auf seiner Flugbahn in einer zweiten Skizze dargestellt:

Kräfte am Ball

Wenn keine Kräfte auf einen Gegenstand einwirken, dann würde dieser auf einer geraden Linie mit unveränderter Geschwindigkeit immer weiter fliegen. Im Altertum glaubten die Menschen noch, dass die Bewegung jedes Körpers irgendwann von alleine wieder zur Ruhe kommen sollte, wenn er nicht weiter angetrieben wird. Diese Meinung herrschte seit den alten Griechen vor und ist erstmals von Aristoteles überliefert. Unsere heutige Vorstellung, dass die Bewegung nicht aufhört, wenn keine Kräfte wirken, hatte als erster der italienische Gelehrte Galileo Galilei.

Die gerade Flugbahn ist in der Skizze der Flugbahn des Balles auch eingetragen. Der Ball würde also immer weiter auf einer geraden Linie ins Weltall davonfliegen. Er würde nie seine Richtung ändern oder langsamer werden. Es ist ja nichts da, was die Bewegung des Balles verändern könnte.

Wenn du hier auf der Erde einen Ball wirfst, wirken zumindest immer die Schwerkraft und der Luftwiderstand auf ihn ein.

Würde nur der Luftwiderstand wirken, so würde der Ball - ich gehe mal davon aus, dass kein Wind weht, der ihn seitlich abtreiben könnte - auf einer geraden Linie mit immer langsamer werdender Geschwindigkeit davonfliegen, solange bis er sich nicht mehr in Bezug zur umgebenden Luft bewegt. Er würde aber nicht herunterfallen.

Es wirkt aber zusätzlich noch die Schwerkraft, die die Aufwärtsgeschwindigkeit des Balles solange abbremst bis er ein bestimmte Höhe erreicht hat und ihn dann weiter zur Erde hin beschleunigt bis er auf den Boden trifft. Auch in einem luftleeren Raum, wenn der Luftwiderstand vollständig fehlt, würde der Ball also wegen der Schwerkraft wieder auf dem Erdboden ankommen.

Haben Dinge auch Gewichtsprobleme?

Wenn man verschiedene Dinge gleichzeitig aus einer bestimmten Höhe fallen lässt, etwa eine Indianerfeder und einen Stein, dann ist der Stein schneller am Boden angekommen als die Feder.

Dass beide zu Boden fallen, liegt an der Schwerkraft. Dass aber der Stein eher unten ist als die Feder, liegt an der Luft und dem Widerstand, den sie erzeugt. Sie bremst die Feder mehr, und den Stein weniger.

Entfaltet der Fallschirmspringer seinen Fallschirm, dann segelt er ganz gemütlich zum Boden. Entfaltet er ihn nicht, dann ist er etwas schneller unten. Etwas zu schnell sogar.

Erstaunlicherweise fallen der Stein und die Feder in einem luftleeren Raum gleich schnell, obwohl sie ganz verschieden schwer sind. Das hat Galileo Galilei als erster behauptet und beobachtet.

Es gibt eine Geschichte, dass er auf den Schiefen Turm von Pisageklettert sein soll, um diese Behauptung durch Fallversuche mit verschieden schweren Dingen zu beweisen. Allerdings soll er extra keine so unterschiedlich geformten Dinge wie eine Indianerfeder und einen Stein genommen haben. Denn wegen des Luftwiderstands, den konnte er ja nicht einfach beseitigen, hat die Form einer Sache einen sehr großen Einfluss.

Galilei wollte den Einfluss des Luftwiderstandes deshalb gering halten und hat vielleicht deutlich verschieden schwere Körper von gleicher Form genommen, etwa eine Eisenkugel und eine Holzkugel mit gleichem Durchmesser mit schön glatten Oberflächen. Und siehe da, beide fallen den erstaunten Beobachtern am Fuße des Turms zur gleichen Zeit vor die Füße. Eine schöne Illustration zu dieser Geschichte findest du bei PhysikForKids.

Wenn alle Dinge wieder zur Erde zurückfallen, wie kann dann aber der Astronaut auf dem Foto über der Erde schweben?

Um uns das zu erklären, müssen wir noch einmal zu unserem Beispiel mit dem geworfenen Ball zurückkehren. Stelle dir vor, wir hätten eine Vorrichtung die den notwendigen Astronaut schwebt über der Erde Schwung erzeugt, den Ball mit sehr großer Geschwindigkeit abzufeuern. Dann passiert etwas interessantes!

Du weißt sicher, dass die Erde eine Kugel ist, wenn auch eine sehr große, so dass bei den Überlegungen des Ballwurfes oben im Bild die Krümmung der Erdoberfläche keine Rolle spielte. Wenn aber die Kurve, auf der der Ball fliegt, sehr sehr groß wird, muss die Kugelgestalt der Erde berücksichtigt werden. In unserer Vorstellung könnten wir den Ball so feste abschießen, dass der Ball sozusagen um die Erde herumfällt.

Dann haben wir es geschafft, dem Ball soviel Schwung zu geben, dass er auf eine Umlaufbahn um die Erde einschwenkt.

Das genau passiert auch mit dem Astronauten. Damit dieser so schnell werden kann, muss er sich allerdings zunächst in eine Raumkapsel setzen, die von einem Raketenmotor angetrieben wird. Der Antrieb der Rakete ist so stark, dass sie den Astronauten in seiner Kapsel in eine Umlaufbahn um die Erde befördert. Dann hat er den Schwung, der es ihm erlaubt, aus der Kapsel auszusteigen und scheinbar über der Erde zu schweben, ohne nach unten zu fallen. In Wirklichkeit bewegt er sich mit sehr großer Geschwindigkeit auf einer Umlaufbahn um die Erde.

Es gibt viele verschiedene Umlaufbahnen in allen möglichen Höhen über der Erde. Die internationale Raumstation ISS bewegt sich zum Beispiel auf einer Umlaufbahn, auf der sie sich in nur etwa 90 Minuten einmal um die Erde bewegt. Sie befindet sich mit etwa 400 km nicht sehr weit von der Erdoberfläche weg, und sie bewegt sich mit etwa 29000 km/h. Wow, das ist schnell, aber eben gerade schnell genug, um nicht auf die Erde zu stürzen. Wenn der Astronaut auf dem Bild aus der Raumstation ISS ausgestiegen ist, dann besitzt er auch diese rasante Geschwindigkeit! Er merkt davon aber nicht so richtig etwas. Es gibt hier oben ja keinen Luftwiderstand. Wenn er aber zur Erde schaut, dann merkt er, dass die verschiedenen Länder und Ozeane sich sehr schnell unter ihm auf der Erdkugel wegdrehen.

Körper auf Umlaufbahnen nennt man übrigens auch ganz allgemein Satelliten. Es gibt eine bestimmte Höhe in der Satelliten genau einen Tag oder 24 Stunden brauchen, um die Erde zu umkreisen. Solche Satelliten stehen ungefähr 36000 km senkrecht über dem Äquator in einer sogenannten geostationären Bahn. Da sich die Erde an einem Tag genau einmal um ihre Achse dreht, können diese Satelliten immer ein ganz bestimmtes Gebiet der Erde beobachten oder dorthin Nachrichten senden. Fernsehsatelliten zum Beispiel sind deshalb auf geostationären Bahnen.

Ein weiterer, diesmal natürlicher Satellit der Erde ist der Mond. Er ist ungefähr 380000 km von der Erde entfernt und braucht deshalb schon 28 Tage, um sie zu umrunden.

Aber noch mal kurz zurück zu unserem Astronauten: Der Schwung und die Richtung, die der Raumkapsel von der Rakete mitgegeben werden, muss also für jede diese Umlaufbahn genau berechnet werden. Wenn der Raketenantrieb sehr stark gewählt und der Abschusswinkel passend eingestellt wird, dann kann die Raumkapsel auch auf einen richtigen Raumflug geschickt werden, zum Beispiel, um den Mond zu erreichen.

QUELLE: Institut für Physik & Biologie