Schwerelosigkeit im freien Flug oder Weltraum?
Das Äquivalenzprinzip von Einstein sagt unter anderem dass man keinen Unterschied bemerkt wenn ich mich in einem abgeschotteten Objekt befinde weit draussen im All und dort schwerelos bin, da ja keine Gravitation wirkt, oder dass ich mich (vom Luftwiderstand abgesehen, wir waeren also im Vakuum) in einem Objekt im freien Fall im Gravitationsfeld der Erde befinde und dort auch schwerelos bin.
Ist das wirklich so?
Wenn ich auf einer Achterbahn bin und diese nach unten geht dann bemerke ich doch in meinem Magen dieses seltsame Gefühl im freien Fall. Oder nicht ?
Und falls dem tatsaechlich so ist, warum bin ich dann in einem Parabellflug nach oben auch schwerelos ?
Siehe Grafik http://www.dlr.de/Portaldata/1/Resources/portal_news/NewsArchiv2005/Parabelflug_250.jpg
Der geht ja am Anfang nach oben und dort bin ich dann auch schwerelos, und wenn das Flugzeug nach unten geht bin ich auch schwerelos.
Das kann doch nicht stimmen. Einmal habe ich eine Kraft des Flugzeugs nach oben und einmal eine Kraft nach unten. Im freien Fall habe ich nur eine Kraft nach unten die Gewichtskraft.
Das macht für mich keinen Sinn: Beim freien Fall habe ich nur die Gewichtskraft nach unten und bin schwerelos und im Parabelflug habe ich eine Kraft nach oben (des Flugzeugs) und eine Kraft nach unten die Gravitationskraft und bin ebenfalls schwerelos. Hier waere ich sehr froh wenn mir das jemanand erklären könnte.
8 Antworten
Das Wort "Schwerelosigkeit" sollte eigentlich "Gewichtslosigkeit" heißen.
Im freien Fall, also im "bodenlosen Fall", kann ich tatsächlich nicht feststellen, ob ich aufgrund eines Gravitationsfeldes beschleunigt werde. Beim idealen Sinkflug auf der Achterbahn unterliege ich der Erdbeschleunigung (1 g) genauso wie mein Sitz, ich bin also gewichtslos. In der Steigphase des Parabelfluges beschleunigt das Flugzeug ebenfalls mit 1 g in Richtung Erde (Das ist im Idealfall ein freier Fall!), beim nachfolgenden Sinkflug genauso unverändert. Die Wirkung ist also die gleiche. Die Bewegungsrichtung gegenüber dem Erdboden spielt ja hier keine Rolle.
Welche Kräfte willst Du beim Flugzeug in Parabelflug entdecken? Wenn man vom Luftwiderstand absieht, fliegt das wie ein in die Höhe getretener Ball seine ballistische Kurve, und zwar völlig ohne Gewicht! Es ist doch keine Unterlage da zum wiegen! Der getretene Ball ist auch im Steigflug im freien Fall.
Unter Gewicht verstehen wir die Kraft, die ein Körper auf seine Unterlage ausübt aufgrund seiner Gravitation. Die Kraft wirkt z.B. auf die strömende Luft während des normalen Fluges, das Flugzeug stützt sich auf die Luft mit seinem Gewicht. Beim freien Fall dagegen ist jede Stütze und jeder Boden entzogen. Es können nur Gravitationskräfte wirken, und bleiben unbemerkt, weil sie durch entsprechende Beschleunigungen ausgeglichen werden.
Ich schrieb oben:
"In der Steigphase des Parabelfluges beschleunigt das Flugzeug ebenfalls mit 1 g in Richtung Erde"
Und Du schreibst jetzt verkehrt:
"in der Steigphase ? ich habe 1g das mich nach unten zieht und ich beschleunige nach oben"
Stelle Dir vor, Du wirfst einen Stein steil in die Höhe. Dann beobachten wir unter Vernachlässigung des Luftwiderstandes drei Bewegungen:
1. Die konstante Horizontalbewegung, die Du dem Stein gegeben hast,
2. die konstante Vertikalbewegung nach oben, die Du ihm gegeben hast
3. die konstante Vertikalbeschleunigung zum Erdboden hin durch die Gravitation der Erde.
Die abwärts gerichtete Geschwindigkeit wächst entsprechend der Erdbeschleunigung und übertrifft die konstante aufwärts gerichtete Geschwindigkeit am oberen Wendepunkt. Die Vertikalbeschleunigung des Steines beginnt also mit dem Verlassen Deiner Hand, mit dem freien Fall. Und von diesem Augenblick an ist der Stein gewichtslos bzw. "schwerelos". Die Bewegungen 1. und 2. sind dabei völlig bedeutungslos. Das sind doch keine Beschleunigungen!
Beim Parabel-Flugzeug beginnt die Schwerelosigkeit mit dem Abschalten der Triebwerke im Steigflug. Danach fällt die Maschine wie ein Stein hinauf und hinunter.
Wegen des realen Luftwiderstandes wird der Schub dabei nicht ganz auf null zurück gefahren. Aber das ist hier Nebensache.
Ist jetzt alles klar?
Okay nun ist mir einiges klarer. Danke Ihnen. Mir ist einfach die Vorstellung komisch dass wenn ich, wie in ihrem Beispiel, einen Stein nach oben werfe, sich dieser bereits im freien Fall befindet. Ich dachte immer ein freier Fall geht nur nach unten Richtung Erde. Dass sich bereits der Stein im freien Fall befindet wenn er sich nach oben bewegt, dass wusste ich nicht. Habe ich das also korrekt verstanden wenn der Stein die Hand verlässt und sich nach oben bewegt ist er bereits im freien Fall ?
Vielleicht verstehst Du das besser nach der Einsicht in die Relativität der Bewegung:
Stelle Dir vor, ein Zug rollt schnurgerade von München nach Berlin mit der Geschwindigkeit v. Seine Geschwindigkeit von Berlin nach München beträgt dann minus v. Für seine Geschwindigkeit gegenüber Wellington unter Berücksichtigung der Erdrotation ist wieder eine ganz andere, und jene Geschwindigkeit gegenüber der Venus unter Berücksichtigung der Erdbahngeschwindigkeit um die Sonne ist wieder eine andere. Bei unserer unmittelbaren, irdischen, alltäglichen Praxis beziehen wir Geschwindigkeitsangaben stillschweigend auf unseren Fußboden. Allgemein müssen wir zu jeder Geschwindigkeitsangabe das jeweilige Bezugssystem angeben.
Nun stelle Dir vor, auf dem Zug liegt eine Kugel, die widerstandsfrei rollen kann. Wenn nun der Zug seine Geschwindigkeit gegenüber seiner Trasse von v auf null reduziert, beschleunigt er in Richtung München von minus v auf null (Siehe Wiki Bremsbeschleunigung). Die Kugel beschleunigt nicht, die rollt mit der Geschwindigkeit v weiter Richtung Berlin.
Wenn zu Beginn der Bremsbeschleunigung die Kugel mit v/2 nach hinten rollt, dann dann bewegt sie sich zunächst mit v/2 nach Berlin. Wenn der Zug die Geschwindigkeit v/2 erreicht hat, ruht die Kugel in Bezug auf die Trasse. Wenn der Zug auf seiner Trasse steht, bewegt sich die Kugel mit minus v/2 nach Berlin bzw. plus v/2 nach München.
Wenn bei obigem Beispiel der Stein auf die Geschwindigkeit v nach oben beschleunigt wurde und in die Schwerelosigkeit, den freien Fall entlassen wurde (D.h. es wirken außer Gravitationskräften keine Kräfte auf ihn ein), dann ändert sich seine Geschwindigkeit nach oben von plus v bis nach minus v durch die Erdbeschleunigung. In der Mitte ist der Wendepunkt mit der Fallgeschwindigkeit null. Alles klar?
Das Flugzeug nimmt bei geringer Höhe maximalen Anlauf, um die maximale Geschwindigkeit zu erreichen. Dann biegt es in eine Kurve nach oben ein, wodurch sich die Schwerkraft der Passagiere in etwa verdoppelt.
Dann erreicht das Flugzeug den Beginn der Parabel und es schließt sich eine Kurve nach unten an. Dort hat es noch eine relativ hohe Geschwindigkeit, sodass die Kurve nur eine geringen Krümmung reicht, um genügend Fliehkraft zu erzeugen, die die Schwerkraft aufhebt. Das Flugzeug wird dann immer langsamer und die Krümmung der Kurve muss dementsprechend zunehmen bis zum oberen Punkt. Ab da beschleunigt das Flugzeug wieder und dementsprechend nimmt die Krümmung der notwendigen Kurve wieder ab. Zusätzlichen Einfluss auf den zu fliegenden Krümmungsradius hat auch die jeweilige Schräglage des Flugzeuges.
Insgesamt ergibt sich dann jedenfalls eine Flugkurve, die einer Parabel gleicht.
Bei der ISS ist es im Prinzip nicht anders. Die Fliehkraft, die aufgrund der Geschwindigkeit und dem Bahnradius entsteht, muss exakt der Schwerkraft entsprechen.
Das mit dem Parabelflug ist in der Grafik nicht sehr deutlich. Du bist ab dem Punkt schwerelos, wo das Flugzeug beginnt, dem Steigflug entgegenzuwirken und zunehmends zu verlangsamen, bis schließlich wieder gesunken wird.
Deutlicher ist es wenn man sagt: Ab dem Punkt, wo die zweite Ableitung der Parabel = 0 ist, bist du schwerelos.
Sie schreiben folgendes:
In der Steigphase des Parabelfluges beschleunigt das Flugzeug ebenfalls mit 1 g in Richtung Erde.
Das verstehe ich nicht. warum ist man schwerelos in der Steigphase ? ich habe 1g das mich nach unten zieht und ich beschleunige nach oben so habe ich doch etwa 2g. warum bin ich dann schwerelos ?