Wie funktioniert die Orbit Mechanik?
Ich brauche eine einfache Erklärung der Orbit Mechanik. Was ich bisher weiß ist, das mit zunehmender Geschwindigkeit die Höhe steigt (dasselbe auch bei abnehmender Geschwindigkeit). Aber wird ein Objekt durch die Gravitation eines Planeten abgebremst? Muss ein Satellit also immer wieder sein Tempo erhöhen, um in der Umlaufbahn zu bleiben?
5 Antworten
Uh, verwirrend. Anders herum: Jeder Planet hat eine Anziehungskraft. Jede kreisförmige Bahn um einen Planeten erzeugt eine Zentripetal kraft. Daraus kann man sich errechnen, in welcher Höhe um den Planeten welche Geschwindigkeit benötigt wird, damit sich beide Kräfte ausgleichen.
Solange auf den Satelliten keine weiteren Kräfte einwirken würden, solange würde er um diesen Planeten kreisen,wie es die Erde seit Milliarden Jahren um die Sonne vormacht. Soweit die Theorie. Denn es gibt ja noch jede Menge weitere Kräfte und Einwirkungen, die sehr klein sind, aber sich dann doch wegen der langen Zeiten bemerkbar machen können.
Unser Mond entfernt sich als Beispiel pro Jahr um ca. 4 cm -> http://www.astronews.com/frag/antworten/3/frage3485.html und http://www.weltderphysik.de/gebiet/astro/news/2009/warum-die-erde-sich-von-der-sonne-entfernt/
"Muss ein Satellit also immer wieder sein Tempo erhöhen, um in der Umlaufbahn zu bleiben?"
Ja, nur ist die Ursache eine andere. Unsere Atmosphäre hat keine scharfe Grenze, sondern wird immer dünner. Diese restlichen Teilchen (wir reden dennoch über ein echt gutes Vakuum) sorgen dafür, dass ein Satellit ganz langsam, aber sicher abgebremst wird. Die ISS muss deswegen immer wieder mal hoch geschubst werden -> https://www.raumfahrer.net/news/raumfahrt/13062011010904.shtml
Abgebremst wird ein Objekt nicht durch die Gravitation eines Planeten, sondern bei niedrigen Umlaufbahnen durch den Luftwiderstand der Atmosphäre. Die ISS z.B. wird aus diesem Grund langsamer und sinkt. Deshalb muß sie immer wieder einmal beschleunigt werden. Dazu werden die Triebwerke eines gerade angedockten Raumfahrzeuges für einige Minuten gezündet.
Wenn ein Satellit sein Triebwerk für kurze Zeit zündet und die Geschwindigkeit erhöht, dann wechselt er damit auf eine andere Umlaufbahn. Allgemein kann man sagen: Er wechselt von einer Ellipse auf eine andere Ellipse. Das ist das grundlegende Manöver, um auf einen anderen Orbit zu kommen. Bis man den Zielorbit erreicht hat, sind u.U. mehrere solcher Schubphasen und Bahnwechsel notwendig.
Hier ist diese Vorgehensweise beschrieben:
Die Erklärung für den Erhalt der Energie des Satelliten ist das Energieerhaltungsprinzip. Einen "allgemeinen Verlust kinetischer Energie", einfach so, gibt es nicht. Die Energie des Satelliten kann die Energieform wechseln, ohne verloren zu gehen, darauf komme ich gleich zurück. Oder sie kann irgendwo anders hin transportiert werden - falls ein Mechanismus vorhanden sein sollte, der das bewirkt.
Bei einer niedrigen Umlaufbahn ist die Luftreibung so ein Mechanismus. Sie entzieht dem Satelliten kinetische Energie und macht, wie Bremsen das für gewöhnlich tun, Wärmeenergie daraus.
Davon abgesehen wirkt auf den Satelliten im Orbit ausschließlich die Schwerkraft. Daß da zwei Kräfte gegeneinander wirken (Schwerkraft und Zentrifugalkraft, wie es oft heißt), ist ein Märchen, mit dem gerne rasch aber falsch erklärt wird, wieso Satelliten "nicht herunterfallen".
Ist der Satellit auf einem ellipsenförmigen Orbit, wechselt ein Teil seiner Bahnenergie zwischen zwei Energieformen hin und her: Auf dem Weg näher zur Erde wird der Satellit von der Erdanziehung beschleunigt und potentielle Energie wird zu kinetischer Energie. Auf dem Weg hinaus zum erdfernsten Punkt der Ellipse bremst die Erdanziehung den Satelliten wieder ab und kinetische Energie wird zu potentieller Energie. Einen Verlust gibt es dabei nicht. Die Energie wechselt nur periodisch zwischen zwei Energieformen, wie bei einem Pendel.
http://schulen.eduhi.at/riedgym/physik/11/satellit/satelliten2.htm
Der erste Satz meiner Antwort oben gilt nur für kreisförmige Umlaufbahnen. Bei elliptischen Umlaufbahnen ist es anders: da wird der Satellit, wie ich eben beschrieben habe, durch die Gravitation abwechselnd abgebremst und beschleunigt. Aber er verliert dabei keine Energie.
Hoffentlich war das einigermaßen verständlich erklärt. Einfacher ist die Sache leider nicht.
Die Gravitaltionskraft des Planeten wirkt zum Zentrum, die Fliehkraft des Satelliten wirkt nach außen. Wenn die Fliekraft überwiegt, vergrößert sich die Bahn. Wenn die Gravitation überwiegt, verkleinert sich die Bahn. Letztlich kommen beide Kräfte in ihr Gleichgewicht.
Als Bremse könnte bestenfalls im erdnahen Orbit eine sehr dünne Atmosphäre wirken. Die würde zum allmählichen Absturz des Satelliten führen, wenn die Bremswirkung nicht durch einen Antrieb ausgeglichen wird. Ohne Luftwiderstand kreist der Satellit praktisch ewig ohne Antrieb auf seiner Bahn, so wie z.B. der Planet um seine Sonne kreist.
Je weiter ein Körper vom Schwerezentrum entfernt ist, desto geringer ist seine Orbitalgeschwindigkeit.
Bei der ISS in etwa 400 km Höhe beträgt die Geschwindigkeit etwa 8 km/s, der Mond in 384.000 km braucht nur noch 1,02 km/s.
Stell Dir einen Gravitationstricher vor, der nach oben hin immer flacher wird. Wie die bekannten "Todesfahrer" auf dem Jahrmarkt, brauchst Du auf der steilen Seite mehr Speed, um nicht hinunterzufallen.
Nach "oben" hin, also weg vom Schwerezentrum, wo der Trichter wie eine Vase immer flacher wird, brauchst Du eben weniger Geschwindigkeit.
Einfacher zu erklären geht es kaum. Für weitere Infos gibt es aber gute Sachbücher und jede Menge Astronomie- und Raumfahrtseiten im Internet.
> Aber wird ein Objekt durch die Gravitation eines Planeten abgebremst?
In erster Näherung nein - sonst wäre der Mond schon längst auf der Erde gelandet.
Bei genauerem Hinsehen:
Satelliten sind - meist - in einer nahen Umlaufbahn, und werden von den Ausläufern der Atmosphäre abgebremst.
Planeten und Monde sind nicht punktförmig, dadurch wirken sog. Gezeitenkräfte (nahe Teile werden stärker angezogen als entfernte), die die Rotationsgeschwindigkeit der Erde verlangsamen und die Bahngeschwindigkeit des Mondes erhöhen.
Der Mond wird also nicht gebremst, sondern beschleunigt. Wodurch sich seine Bahn um einige Zentimeter pro Jahr von der Erde entfernt.
Viele Physiker würden mir da wiedersprechen, daher ist die Qualität meiner Meinung mehr als fragwürdig, aber ich bin davon überzeugt, dass die Sateliten im Orbit auch allein durch die Gravitation und durch den allgemeinen Verlust ihrer Kinetischen Energie, abgebremst werden, da im Orbit zwei Kräfte gegeneinander wirken, was also zwangsläufig einen Energieverlust bedeutet. Wie gesagt, ist nur meine Überlegung und Meinung und viele sagen da was anderes, aber ich habe halt noch nie eine vernünftige abdere Erklärung für den Erhalt der Energie des Sateliten gehört