Wäre es möglich in einer Zentrifuge eine beinahe-Schwerelosigkeit zu erzeugen?
Hallo zusammen!
Ich habe eben ein Video von der ISS mit dem Deutschen Astronaut Alexander Gerst gesehen. Der befindet sich ja Momentan in der Schwerelosigkeit, da die ISS sich dafür schnell genug um die Erde herum bewegt. Nun stelle ich mir die Frage: Wie könnte man einen ähnlichen Effekt auf der Erde erzielen? Dauerhaft und nicht im Rahmen eines kurzen Moments wie z.B. dem 0G Moment, den man in einem Flugzeug erzeugen kann.
Ich habe wenig Ahnung von Physik, deshalb frage ich diese Community ob folgende Idee tatsächlich funktionieren könnte:
Stellen wir uns vor ein Mensch befindet sich in einer Zentrifuge. Frage 1: Wäre es möglich diese so schnell zu drehen, dass die Erdanziehungskraft durch die Zentrifugalkraft aufgehoben wird und der Mensch, der in der sich drehenden Kapsel steht, dass Gefühl hat er stünde normal auf dem Boden obwohl er sich in diesem Moment tatsächlich waagerecht zu jenem befindet?
Wenn ja weiter wie folgt: Die Zentrifuge wird nun so nach oben justiert, dass sie sich im 45° Winkel zur Waagerechten von eben bewegt und die Drehgeschwindigkeit (möglicherweise) so angepasst wird, dass sich gefühlt für den Menschen im Inneren nichts ändert, er also dort noch immer auf seinen eigenen Beinen steht mit dem Gefühl auf festem Boden zu stehen.
Jetzt also Frage 2: Wenn nun die Drehgeschwindigkeit der Zentrifuge so reduziert wird, dass die Zentrifugalkraft minimal schwächer als die Erdanziehungskraft ist, wäre es dadurch möglich einen extrem langsamen freien Fall Richtung Boden zu simulieren? Also z.B. einen freien Fall mit vielleicht 0,01 m/s2 statt wie auf der Erde mit 9,81 m/s2?
Vielleicht ist die Fragestellung für Menschen mit ausreichender Physikkenntnis naiv und die Antwort logisch, aber ich kenne sich nicht, daher freue ich mich über jede ernst gemeinte Antwort.
Mit freundlichen Grüßen
metinfan56
6 Antworten
Das Problem ist, dass dich die Zentrifugalkraft ja immer versucht von der Mitte der Kreisbewegung zum Rand zu drücken.
Wenn du damit die Schwerkraft dauerhaft kompensieren willst musst du schon um die Quelle der Schwerkraft rotieren, in dem Fall die Erde.
Somit kann man mit einer Zentrifuge keine dauerhafte Schwerelosigkeit darstellen. Am einfachsten geht das mit den 0g Flügen bzw mit Falltürmen. Denn sobald sich ein Körper im freien Fall befindet ist er Schwerelos.
Dadurch ergibt sich für Frage 1 ein Problem, dadurch dass die Schwerkraft nicht aufgehoben werden kann wird der Mensch die Schwerkraft immer spühren. Würde er also mit 1g durch die Zentrifugalkraft nach außen gedrückt und mit 1g durch die Erde angezogen, dann würde er eine Anziehungskraft von 1,41g im 45° Winkel zur Erdoberfläche spüren wenn sich die Zentrifuge parallel zum Erdboden bewegt.
Die anderen Frage ergeben sich dadurch, dass es nicht möglich ist mit einer Zentrifuge die Schwerkraft dauerhaft zu kompensieren, weil der Kraftvektor der Zentrifugalkraft nur in einem Spezialfall die Erdanziehung kompensieren kann.
Dieser Spezialfall währe erreicht wenn sich eine Zentrifuge im 90° Winkel zum Erdboden dreht, ähnlich wie ein Pendel. Ist die Zentrifugalkraft auf 1g eingestellt wäre man im inneren genau am höchsten Punkt der Drehung schwerelos, am niedrigsten Punkt der Drehung würde man aber 2g spüren, weil sich hier Schwerkraft und Zentrifugalkraft addieren.
Da bringst Du einiges ziemlich durcheinander. Mit „Schwerelosigkeit“ bezeichnen wir den Zustand des freien Falls. Dabei ist ein Körper außer Gravitations- und Trägheitskräften keinen weiteren Kräften ausgesetzt. Und das hat grundsätzlich nichts mit Orbitalbewegungen zu tun. Der „schwerelose Körper“ folgt allein den Gravitationskräften und seiner Massenträgheit. Das erfahren wir im irdischen Alltag z.B. beim Sprung vom Sprungbrett für einige Sekunden oder beim Wurf eines Balls.
Der Astronaut „befindet sich ja Momentan in der Schwerelosigkeit, da die ISS sich dafür schnell genug um die Erde herum bewegt.“
Das ist insofern richtig, dass bei einer zu geringen Bahngeschwindigkeit der ISS (unterhalb der 1.Fluchtgeschwindigkeit) dieselbe mangels Fliehkraft auf die Erde stürzen würde, womit die Schwerelosigkeit beendet wäre. Die Orbitalbahn ergibt sich hier aus dem Gravitationsfeld der Erde, dem die Fliehkraft entgegenwirkt.
Gravitationskraft und Trägheitskraft sind aber weder notwendige noch hinreichende Bedingungen für den freien Fall. Diese Kräfte sind also für den freien Fall nicht notwendig, und sie bewirken auch keinen freien Fall.
Der freie Fall setzt bei einem Raumschiff, einem Satelliten einer Weltraumrakete oder sonstigen Körper im Weltall in dem Augenblick ein, in dem der Raketenantrieb abgeschaltet wird, denn die Antriebsmaschine übt eine Kraft auf den Körper aus. Ob der Körper danach zur Erde fällt, zum Mond oder zur Sonne, oder ob der dann um einen dieser Himmelskörper als Satellit kreist, spielt überhaupt keine Rolle für die "Schwerelosigkeit".
Auf dem Erdboden kannst Du bestenfalls eine Zentrifuge mit horizontaler Achse betreiben, in der ein Körper herum geschleudert wird. Wenn sich mangels hinreichender Rotationsgeschwindigkeit der Körper periodisch am oberen Wendepunkt kurz von der Zentrifugenwand ablöst, ist der bei jeder Umdrehung für Sekundenbruchteile „schwerelos“, es wirkt keine verformungswirksame Kraft auf ihn. Das kannst Du auch auf der Achterbahn erfahren.
Eine dauerhafte „Schwerelosigkeit“ dagegen wirst Du mit der Zentrifuge so wenig erzielen wie mit einer Schaukel, einem Salto oder einem Hochreck. Du fällst ja immer nur kurz frei.
Auf der ISS geht das nur deshalb, weil sie sich um die Erde herum bewegt und somit die Zentripetalkraft die Gravitation kompensiert.
Hier auf der Erde geht das mit keiner Zentrifuge im Sinne einer andauernden Schwerelosigkeit. Im Parabelflug klappt das für grob 30 Sekunden oder im Bremer Freifallturm für ca. 3, aber mehr geht nicht.
Mit einer Zentrifuge erzeugst du immer mehr Schwerkraft, nicht weniger, da du schon bei der kleinsten Drehzahl nach außen gedrückt wirst. Eine Reduktion der Schwerkraft ist nur möglich, wenn du direkt um die Erde fliegst, sodass die Zentrifugalkraft der Schwerkraft entgegenwirkt, wie dies beispielsweise bei Satelliten der Fall ist.
Nachtrag: Für kurze Zeit lässt sich die Schwerkraft mit Parabelflügen aufheben. Auch ein Mensch beim Hochspringen während der "Flugphase" oder ein Geschoss während dem Flug (ohne Berücksichtigung des Luftwiderstandes) sind kurz schwerelos.
Eine Zentrifuge ist dazu sicher ungeeignet, das sie ja unabhängig von Schwerefeldeinfluss immer eine Kraft auf den Körper ausübt. Da wäre eine der Attraktionen des Phantasialandes oder diverser Volksfeste eher geeignet. Für ganz kurz hat man da ja den Magen unterm Kinn hängen.