Angefangen von Archimedes mit seinem Prinzip des Auftriebs über die erste mathematische Beschreibung der Gravitation durch Newton bis hin zu den Relativitätstheorien von Einstein und den meist darauf beruhenden Forschungsthemen unserer Zeit bietet das Thema Gravitation einen tiefen Einblick in die Physik. Sie kann uns in die Tiefen des Weltalls entführen und uns auf der Erde doch gleichzeitig mit beiden Beinen auf dem Boden halten.
Diese Sammlung an Fragen rund um die Physik der Schwerkraft soll vor allem interessierten Laien einen ersten Einblick in das faszinierende Thema Gravitation geben.
Für den fortgeschritteneren Leser findet sich jeweils am Ende eines Artikels eine entsprechende Literaturempfehlung, die je nach Themengebiet auch wissenschaftliche Veröffentlichungen verschiedener Fachzeitschriften (Nature, Science, Phys. Rev. Lett., etc.) beinhalten kann.
Da es sich um ein sehr weitläufiges und zum Teil auch kompliziertes Themengebiet handelt, werden wir im Laufe der Zeit immer wieder neue Punkte hinzufügen.
Wissenswertes (FAQs)
Mit Gravitation bezeichnet man die Eigenschaft von Massen, sich gegenseitig anzuziehen. Diese Anziehungskraft ist dabei gemäß dem Newtonsche Gravitationsgesetz von der Größe der Massen und von deren Abstand abhängig [1]. Sie nimmt quadratisch mit dem Abstand ab und benötigt zur korrekten Beschreibung noch eine Proportionalitätskonstante, die Gravitationskonstante G.
Newtonsches Gravitationsgesetz:
Der erste experimentelle Nachweis der Massenanziehung gelang Cavendish im Jahre 1798 mit einer Torsionswaage [2].
[1] Spektrum, Lexikon der Astronomie: Newtonsche Gravitation (Link: https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/newtonsche-gravitation/312)
[2] Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations: Cavendish Experiment (Link: https://sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/cavendish-experiment)
Gal steht für Galileo und ist eine andere Einheit für die Erdbeschleunigung g, die vor allem in der Geophysik verwendet wird. Es ist 1 Gal =10 -2 m/s2, also g=981 Gal. Für die Beschreibung kleiner Effekte wird meistens mGal=0,001 Gal verwendet.
“Groß G” ist die Proportionalitätskonstante in Newtons Gravitationsgesetz. Sie stellt eine formale Beziehung her zwischen den Massen, dem Abstand und der daraus resultierenden Gravitationskraft. Inzwischen wird vermutet, dass G nicht konstant ist, sondern von weiteren, bisher unbekannten Faktoren abhängen könnte.
Anerkannter CODATA-Wert 2010 ist:
G = ( 6,67348 ± 0,00080 ). 10 -11 m3 kg-1 s-2. Die Genauigkeit dieses Wertes beträgt nur 0,15 %, was für eine Fundamentalkonstante sehr ungenau ist.
“Klein g” bezeichnet die Beschleunigung, mit der ein frei fallender Körper im Gravitationsfeld der Erde an Geschwindigkeit zunimmt. Durchschnittlicher Wert: g = 9,80665 m/s2 (CODATA-Wert 2010).
Die Größe der Erdanziehung bzw. Schwerebeschleunigung g ist von der Masseverteilung in der Erde abhängig. Je mehr Masse bis zum Erdmittelpunkt unter einem ist oder je höher die Dichte dieser Masse, desto höher die Anziehungskraft. Mit einem Gravimeter kann die lokale Erdbeschleunigung gemessen werden. Daraus lassen sich Rückschlüsse auch auf die Beschaffenheit des Untergrundes ziehen, z.B. Hohlräume oder Erzlager erkennen.
Die Schwerebeschleunigung hängt von der geografischen Breite und der Höhe über Meeresniveau ab. Auf Meereshöhe ist am Äquator g=9,780 m/s2, am 45ten Breitengrad g=9,807 m/s2 und am Pol g=9,832 m/s2. Mit jedem zusätzlichen Höhenmeter nimmt g um etwa 3*10 -6 m/s2 ab, solange h klein gegen den Erdradius ist.
Am Äquator ist der Abstand vom Erdmittelpunkt größer und damit die Schwerebeschleunigung geringer als an den Polen.
Zusätzlich wirkt die Fliehkraft aufgrund der Erdrotation der Fallbeschleunigung entgegen, so dass diese am Äquator geringer ist. Der Effekt beträgt etwa 3 Gal.
Die lokalen Absolutwerte der Erdbeschleunigung können bei den Landesvermessungsämtern erfragt werden.
Gezeiten entstehen durch die Rotation von Erde und Mond um den
gemeinsamen Massenschwerpunkt. Entscheidend sind die Differenzkräfte
zwischen Gravitations- und Fliehkräften. Diese sorgen dafür, dass sich
auf der Erde sowohl auf der dem Mond zugewandten, als auch auf der dem
Mond abgewandten Seite ein Flutberg ausbildet. Daher gibt es zweimal am
Tag Ebbe und Flut. Zusätzlich übt auch die Sonne einen Einfluss auf
die Gezeiten aus, woraus durch Addition bei Neu und Vollmond
Springfluten und durch Subtraktion bei Halbmond Nippfluten entstehen.
Die Gezeitenkräfte lassen sich, auch unabhängig vom Tidenhub der Meere,
mit einem Gravimeter an jedem Ort der Erde messen. Sie liegen in der
Größenordnung von 0,5 mGal bis 1,1 mGal.
Auf der Erde lässt sich künstliche Schwerelosigkeit (bzw. Gewichtslosigkeit) bisher nur dadurch erreichen, dass man einen Körper frei fallen lässt. Dies wird in Parabelflügen mit Flugzeugen oder in Falltürmen realisiert. Die erreichbare Dauer liegt im Bereich von wenigen Sekunden (Fallturm) bis einigen Minuten (Parabelflug).
Bekannt für sogenannte “Gravitationsanomalien” sind Orte wie Roca di Papa in Italien oder Karpacz Gorny in Polen. Erst durch präzise Messungen konnte geklärt werden, worum es bei diesen Phänomenen wirklich geht. Die naheliegendste Erklärung ist eine optische Täuschung, die einem vorgaukelt, dass es bergauf geht, obwohl es in Wirklichkeit bergab geht. Dass ein nahegelegener Berg die Richtung der Gravitation verändert, ist praktisch ausgeschlossen, aufgrund der viel zu geringen Masse im Verhältnis zur Erde.