Ab welcher exakten Höhe über der Erde beginnt eigentlich die Schwerelosigkeit des Weltalls (Google-Suche hat kein Ergebnis gebracht!)?

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12 Antworten

Du unterliegst da einem Irrtum.

Die Erdgravitation reicht prinizipiell unendlich weit.  In etwa 400.000 km hält sie den Mond auf seiner Umlaufbahn, zum Beispiel.

Du fragst sicher, weil du im Fernsehen schon oft gesehen hast, wie Astronauten "in der Schwerelosigkeit" schweben. Nun, das ist ein völlig anderer Effekt. Die ISS, die Internationale Raumstation, befindet sich in einem Orbit über der Erde, nicht sehr hoch, gerade mal etwa 400km. Würde sie sich nicht schnell in eine bestimmte Richtung bewegen, würde sie "runterfallen". Sie bewegt sich aber sehr schnell, mit ungefähr 7,66 km/sec. Das führt nun dazu, dass zwei Kräfte auf die ISS wirken - die Erde zieht die Station runter, mit der Erdschwerkraft, die Geschwindigkeit der ISS treiobt sie von der Erde weg, in einem tangentialen Weg. Beides zusammen führt nun dazu, dass die ISS gewissermaßen "um die Erde herum fällt". Diese Bewegung macht alles mit, was sich in und an der ISS befindet. Das heißt, dass alles in und an der ISS gleich beschleunigt wird und relativ zueinander stillsteht - was wie "schweben" wirkt.

Diese Schwerelosigkeit ist also nichts anderes als ein gemeinsamer Fall von ISS (oder Raumschiff und so weiter) und den darin befindlcihen Dingen und Menschen.


Sobaron 01.08.2016, 01:29

Vielen Dank für diese tolle Erklärung, nun habe ich es glaube ich das erste mal verstanden! =)

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Schwerelosigkeit ist keine Frage des Orts, sondern des Zustands eines "ausgedehnten" Körpers. Ein punktförmiger Körper ist prinzipiell immer schwerelos (in der Schule rechnet man oft mit punktförmigen Körpern, deshalb ist es so auch schwierig, genau zu verstehen, was Schwerelosigkeit bedeutet). Ein ausgedehnter realer Körper ist genau dann schwerelos, wenn er nicht unter mechanischer Spannung steht. Es kommt also nicht nur darauf an, welche Kräfte auf ihn wirken, sondern wo sie wirken.

Beispiel stehender Mensch. Die Gravitationskraft wirkt auf jedes Atom innerhalb des Körpers, jeweils nach unten, die Gleichgwichtskraft des Bodens auf den Körper wirkt aber an der Unterseite des Körpers. Diese Unsymmetrie setzt den Körper unter mechanische Spannung, man ist schwerelos.

Beispiel Trampolinspringer: Die Gravitationskraft wirkt auf jedes atom innerhalb des Körpers, dies war es aber auch schon an Kräfte, hier gibt es keine sonstigen Kräfte, also auch keine mechanischen Spannungen, denn ein Atom "spürt" sozusagen nichts von seinem Nachbarn.

Mit der von Max Planck 1908 eingeführten Stromstärke des Impulses ist das viel plastischer zu sehen. Der Impuls ist eine physikalische Größe, die den Bewegungszustand eines Körpers charaktierisiert.

Beispel stehender Mensch: Aus dem Gravitationsfeld fließt Impuls in jede Stelle des Körpers hinein. Würde sich dieser Impuls im Körper ansammeln, dann würde er sich bewegen (denn nur bewegte Körper haben einen von 0 verschiedenen Impuls). Da der Körper aber auf dem Boden steht, fließt dieser Impuls also im ganzen Körper nach unten, durch die Füße in den Boden. Dieser durch den Körper fließende Impuls ist gerade die mechanische Spannung (genauer gesagt sind es die Komponenten des Spannungstensors, nur mit umgekehrtem Vorzeichen).

Beispiel Trampolinsrpinger: Auch hier fließt Impuls in jede Stelle des Körpers hinen. Da man keinen Kontakt mehr zum Boden hat, fließt der Impuls nirgendwie. "nichtfließender" Impuls heißt aber auch keine mechanische Spannung, also Schwerelosigkeit.

Beispiel: Satellit mit Raketen. Sobald ein Satellit seine Raketen (zum Beispiel links) startet, fließt Impuls von den Triebwerken nach rechts in den Satelliten, zuerst ein großer Impulsstrom in den linken Teil, dann ein Teil davon weiter nach rechts, und wieder ein Teil davon noch weiter nach rechts, so dass der ganze Satellite die gleiche Geschwindigkeit hat. Insgesamt fließt also ein Impulsstrom von links nach rechts, damit steht der Satellit unter mechanischer Spannung, und damit herrscht keine Schwerelosigkeit. Wäre ein Mensch in diesem Satelliten, dann wäre für ihn also links unten, und rechts wäre oben, er hätte das Gefühl, auf einem Planeten zu stehen, wobei die linke Seite der Untergrund ist. Hört das Triebwerk auf, hören die Impulsströme auf, damit ist die mechanische Spannung weg, und man ist wieder schwerelos.


Beantwortet ist Deine Frage ja schon. Hier ist noch ein interessanter Aufsatz von Helga Stadler (Universität Wien) zu der Frage, welche Auffassungen über Schwerkraft und Schwerelosigkeit bei Schülern zu finden sind.

http://pluslucis.univie.ac.at/PlusLucis/981/stadler.pdf

Die Ursachen der üblichen Mißverständnisse sieht die Autorin u.a. in der Art, wie Medien und Lehrbücher das Thema darstellen:

• Sprachliche Ungenauigkeiten, wie "schwereloser Raum", in dem die Körper "der Schwerelosigkeit unterliegen", wo "Schwerelosigkeit herrscht", finden sich nicht nur in der Alltagssprache, sondern auch in der Fachliteratur. Der Begriff "Schwerelosigkeit" kann sprachlich bedeuten, daß es Räume oder einen Zustand gibt, in dem die Schwerkraft nicht wirkt oder Körper nicht "schwer" sind. Der Schluß, daß es Räume gibt, in denen keine Schwerkraft wirkt, wird der zweiten möglichen Bedeutung des Wortes - daß es einen Zustand gibt, in dem Körper nicht schwer sind - offensichtlich vorgezogen. Die Verwendung des Begriffs des "schwerelosen Raums" impliziert, daß es einen solchen Raum tatsächlich gibt, unter Außerachtlassung der sprachlichen Ungenauigkeit in der Verwendung der Begriffe Schwere und Gewicht.
• Die falsche oder zumindest mißverständliche (und, wie Befragungen von Studenten zeigen, auch mißverstandene) grafische Darstellung der Schwerelosigkeit als Ergebnis der Kompensation von Zentripetal- und Zentrifugalkraft unter Vernachlässigung des Unterschieds zwischen der Betrachtung des Gesamtsystems und des mitrotierenden Systems. (Zu beachten ist in diesem Zusammenhang das schlechte Abschneiden von Österreich und Deutschland bei Fragen der TIMS-Studie zur Zentripetalkraft.) [...] Den genannten Verständnisschwierigkeiten wird auch im Unterricht an den Schulen, aber auch an den Universitäten kaum Rechnung getragen. Eine Reihe von weiteren didaktischen Schwierigkeiten vertiefen das Gesamtproblem. So wird etwa auch auf universitärer Ebene den Verständnisschwierigkeiten der Studenten in bezug auf das dritte Newtonsche Axiom zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Auf Schulebene wird der grundlegenden Frage des Übertragungsmechanismus der Kräfte zu wenig oder kein Raum gegeben.

Sobaron 01.08.2016, 10:42

Vielen, vielen Dank !!! :-)  Das ist so interessant, dass es eigentlich JEDER einmal gelesen haben muss! 

Super Beitrag.

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Die Gravitations-Feldstärke eines kugelsymmetrischen Himmelskörpers der Masse M und des Radius R ist für einen Anstand r > R vom Schwerpunkt des Himmelskörpers nach Newton

(1) |g› = – (G·M/r²)·|e[r]›,

wobei G die Gravitationskonstante ist. Das heißt: Sie endet nirgends. Allerdings beschleunigt die Schwerkraft alle Körper an Bord eines Raumschiffs in derselben Weise, weswegen dort - wie z.B. OnkelSchorsch und Reggid schon geschrieben haben - Schwerelosigkeit herrscht, solange es sich im freien Fall befindet, sich also widerstandslos beschleunigen lässt.
Raumzeitlich betrachtet handelt es sich dabei um Weltlinien, die geödätische Linien sind, geradestmögliche Linien.

Dauerhaft aufrechterhalten lässt sich dieser Zustand nur in einem Orbit mit Drehimpulsbarriere

(2) V_[z] = L²/{2·m·r²},

da ein radialer freier Fall ein rasches katastrophisches Ende nimmt.

In einem mitrotierenden Koordinatensystem tritt in so einem Fall eine Fliehkraft auf, die der Schwerkraft ähnelt und ihr in einem Gleichgewichtsabstand genau entgegengesetzt ist.

Dass man die Schwerkraft normalerweise spürt, liegt daran, dass man |g› üblicherweise einen Widerstand |a› = – |g› entgegensetzt, und sei es der Erdboden, der dies tut. Diese Beschleunigung ist nicht gleichmäßig, die Köper innerhalb eines Systems spüren eine Kraft, die dieselbe ist wie die von ihrer Trägheit verursachte Kraft bei Beschleunigung. 

Das ist in Kilometern nicht auszudrücken, Schwerelosigkeit herrscht immer dann, wenn sich Gravitation und Fliehkraft die Waage halten. Bei einem sogenannten Parabelflug ist das schon in relativ geringer Höhe möglich.

Da fällst Du einem Mythos anheim! Ohne Schwerefelder (Gravitationsfelder) im Weltraum gäbe es auch keine elliptischen Planetenbahnen. Der "schwerelose Raum" ist ein Märchen.

Das Wort "Schwerelosigkeit" ist schon ziemlich irreführend. Gemeint ist damit gewöhnlich die "Gewichtslosigkeit" von Körpern im freien Fall. Ohne stützende Unterlage lässt sich bekanntlich kein Gewicht ermitteln. Und antriebslose, anhaltend auflagenlose (und somit gewichtslose) Körper findet man eben vorzugsweise im Weltraum und selten im nahen irdischen Umfeld. Da kann man vielleicht einmal ein Flugzeug im Sturzflug beobachten oder einen Meteoriten.

dompfeifer 02.08.2016, 12:45

Der dynamische Zustand der sog. „Schwerelosigkeit“ wird hier
von einigen Usern wie z.B.  achimhausg, irrtümlich in Abhängigkeit von äußeren Faktoren gebracht wie die Balance von Zentripetal- und Zentrifugalkraft oder von Lagrange-Punkten. Solche Faktoren beinflussen keinesfalls die Schwerelosigkeit. Dabei geht es bei der sog. „Schwerelosigkeit“ nur um die Abwesenheit aller Kräfte neben den Schwerkräften („freier Fall“). Dazu Wiki:

„Allgemein befindet sich ein Körper im schwerelosen Zustand, wenn ihn die Schwerkraft ohne Behinderung durch eine Gegenkraft in eine beschleunigte Bewegung versetzen kann. Es besteht Gegenkraftlosigkeit.“

Dieser Zustand wird keinesfalls berührt durch den Sonderfall des Gleichgewichtes von Zentripetal- und Zentrifugalkraft, der z.B. nicht gegeben ist beim Einflug eines Meteoriten oder bei Parabelflügen. 

Genauso wenig wird der freie Fall als solcher beeinträchtigt durch mathematische Konstrukte wie Lagrange-Punkte. Hier handelt es sich um numerisch ermittelte momentane räumliche Gleichgewichtspunkte zwischen drei beliebig ausgewählten frei fallenden Körpern. Wie sollten derartige Rechenoperationen (!) zur Entstehung „feldfremder Kräfte“ führen, also zu Kräften, die den freien Fall behindern? 

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Das ist keine Frage der Höhe.

Die Gravitationskraft ist zwar die kleinste der bekannten Kraftarten, nuimmt aber auch extzrem langsam ab und wuirkt praktisch bis ins Unendliche.

Die Schwerelosigkeit in einer Raumstation kommt daher, dass diese auf ihrer Umlaufbahn dauern nach unten fällt und nur durch ihre große Geschwindigkeit an der Erde vorbei fällt.

Schweerelos kannst Du auch in einem Looping werden, wenn dessen Geschwindigkeit genau so groß ist, dass die Zentrifugalkraft die Erdanziehungskraft gerade aufhebt. Das ist dann auch schon auf Meerreshöhe möglich.

schwerelos bist du wenn du dich im freien fall befindest, unabhängig von der höhe.

Sobaron 01.08.2016, 01:31

Und die ISS ist in einer Art freiem Fall um die Erde herum oder?

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achimhausg 01.08.2016, 12:11
@TomRichter

Wenn die ISS im freien Fall wäre, dann möchte ich die blöden Gesichter der Besatzung sehen  ;)

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Entgegen dem hier vornehmlich Aufgeführten dürfte es durchaus im All Schwerelosigkeit geben ohne dass Fliehkraft die Gravitation aufhebt, nämlich an den Punkten, wo sich Gravitationen aufheben.

Auch im Raum ausserhalb unseres Sonnensystem herrsch Gravitation, man nennt sie Mikrogravitaton.
Alle Kräfte ziehen gleich stark in alle Richtungen

Im all, wenn die erdatmosphäre ueberschritten ist. Die genaue hoehe weiss ich nicht

SlowPhil 01.08.2016, 01:11
  1. Die Erdatmosphäre hat keine scharfe Außengrenze. Die Exosphäre hat einen weichen Übergang in den interplanetarischen Raum.
  2. Mit der Gravitation hat die Erdatmosphäre nicht zu tun. Auch auf dem Mond gibt es Gravitation, obwohl er keine nennenswerte Atmosphäre hat. À propos Mond: Der befindet sich so weit von der Erde entfernt, dass man hier nun wirklich nicht mehr von Erdatmosphäre reden kann, dennoch wird er von der Erde angezogen.
  3. Das Gravitationsfeld der Erde hat erst recht keine scharfe Außengrenze, das G-Feld wird nur ~r⁻² schwächer, endet aber nirgends. 
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Sobaron 01.08.2016, 01:34

Danke für deine Antwort, haben aber leider dem gleichen Irrtum unterlegen. *~*

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Gravitation ist immer überall Vorhanden. Also Gibt es keine Schwerelosigkeit.

Sobaron 01.08.2016, 01:31

Klar gibt es Schwerelosigkeit!  o.O   Das wird dir jeder Physiker bestätigen!

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atoemlein 01.08.2016, 01:47
@Sobaron

Es gibt scheinbare "Schwere"losigkeit, wenn die Bedingungen wie in der Antwort von Onkelschorsch erfüllt sind, oder sich zwei Gravitationskräfte aufheben. Aber es gibt keine eigentlicher Gravitationslosigkeit.

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dompfeifer 01.08.2016, 13:33
@Sobaron

Ja existiert die Schwerelosigkeit nun oder nicht?

Existenzfragen sind immer untaugliche, verkehrt gestellte Fragen. Siehe meine Antwort oben!

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achimhausg 02.08.2016, 22:41
@dompfeifer

Natürlich existiert Schwerelosigkeit, nämlich immer da, wo Etwas kein Gewicht hat; so im freien Fall, im Orbit, Parabelflug oder anLagrangepunkten. - Ganz präzise gesehen, also mit dem nötigen Maß an Korinthenkackerei und Besserwisserei, existiert Schwerelosigkeit natürlich nirgens.

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