Gravitationskraft
Physik
Basiswissen
Anziehende Kraft zwischen Massen, ohne Rotation: als Gravitationskraft bezeichnet man die Kraft, die zwischen zwei (oder mehr) Massen wirkt. Gravitationskraft kann zwischen der Erde und einem Menschen wirken, aber auch zwischen zwei Atomen weit voneinander entfernt im Weltraum. Hier stehen zwei Formeln zur Berechnung.
Formel I
- Ein Körper an einer Planetenoberfläche
- Es gilt: F = m·g
Formel II
- Zwei Körper, egal wo, z. B. auch im Weltraum
- F = G·m₁·m₂:r²
Legende I
- Für: F = G·m₁·m₂:r²
- F = die Anziehungskraft zwischen zwei Körpern, z. B. in Newton ↗
- G = Gravitationskonstante (siehe unten)
- m₁ = Masse des einen Körpers, z. B. in Kilogramm ↗
- m₂ = Masse des anderen Körpers, z. B. in Kilogramm ↗
- r = Abstand der beiden Körper, z. B. in Meter ↗
- r² = r mit sich selbst malgenommen
- Mehr unter Gravitationsgesetz ↗
Legende II
- Für: F = m·g
- F = Gewichtskraft an der Oberfläche eines Himmelskörpers (z. B. der Erde)
- m = Masse eines Körpers in der Nähe der Oberfläche eines Himmelskörpers mit dem Ortsfaktor g
- g = in Newton pro Kilogramm, für die Erde zum Beispiel 9,81 N/kg, ist der Ortsfaktor ↗
Was ist genau das G?
- Die Gravitationskonstante G ist eine Naturkonstante:
- G = 6,672 mal 10 hoch -11 m³/(kg·s²)
- G = 0,00000000006672 m³/(kg·s²)
- Siehe auch Gravitationskonstante ↗
Was ist Gravitation?
- Zwei Körper mit einer Masse ziehen sich gegenseitig immer an.
- (Masse meint alles, was man z. B. in Kilogramm messen kann.)
- Man kann sich zum Beispiel einen vollkommen leeren Weltraum vorstellen.
- In diesen Weltraum werden zwei Goldkugeln von jeweils 1000 kg Masse gedacht.
- Egal wie weit die Kugeln voneinander entfernt wären, sie würde sich anziehen.
- Diesen Effekt nennt man "Gravitation" oder auf Deutsch auch Schwerkraft ↗
Wovon hängt die Gravitationskraft ab?
- Sie hängt von der Masse (der Kilogramm-Zahl) der zwei Körper ab.
- Und sie hängt vom Abstand der zwei Körper ab.
- Je schwerer die Körper sind, desto stärker ist die Kraft.
- Je näher die Körper zueinander sind, desto stärker ist die Kraft.
- Lies mehr unter Gravitationsgesetz ↗
Hat eine Energie eine Anziehungskraft?
Der Einsteinschen Formel E=mc² zufolge sind Masse und Energie zwei Erscheinungen derselben Sache. Damit kann man fragen: geht auch von Energie eine Gravitationskraft aus? Der Physiker Stephen Hawking (1942 bis 2018) geht davon aus. Er schreibt über Einsteins Auffassung der klassischen Newtonschen Mechanik: "Man müsse sie vielmehr als Folge des Umstandes betrachten, daß die Raumzeit nicht eben sei, sondern gekrümmt oder verworfen durch die Verteilung der Massen und Energien in ihr[1, Seite 47]." Demzufolge würde auch reine Energie die Raumzeit krümmen, was wir als eine gravitative, also anziehende Wirkung deuten könnten. Siehe auch Raumkrümmung ↗
Was ist Dunkle Masse?
- Mit Hilfe der Gravitationskraft kann man die Bewegung von Sternen in Galaxien berechnen.
- Dabei kommt heraus, wann welcher Stern wo und mit welcher Geschwindigkeit ist.
- Die berechneten Werte passen aber nicht immer auf das was man beobachtet.
- Man vermutet, dass es unsichtbare Masse im Weltraum gibt.
- Diese nennt man auch dunkle Masse ↗
Was ist Dunkle Energie?
- Es gibt Anzeichen, dass die Gravitationskraft mit großer Entfernung abstoßen wirken könnte.
- Je weiter zwei Körper voneinander entfernt sind, desto stärker stoßen sie sich ab.
- Dieser Effekt würde aber erst bei sehr, sehr großen Entfernungen auftreten.
- Mehr dazu unter Dunkle Energie ↗
Was ist der Unterschied zur Gewichtskraft?
- Das Wort Gewichtskraft unterscheidet ist kein Synonym für Schwerkraft.
- In die Gewichtskraft fließen auch Zentrifugalräfte mit ein.
- Ein Mensch am Äquator der Erde erfährt eine rein anziehende Gravitationskraft.
- Er erfährt aber auch an nach oben wirkende Zentrifugalkraft (Erdrotation).
- Die Gewichtskraft verrechnet die beiden zu einer gemeinsamen Kraft.
- Für die Äquator-Person ist die Schwerkraft kleiner als die Gravitationskraft.
- Mehr unter Gewichtskraft ↗
Was ist der Unterschied zur Schwerkraft?
- Die Gravitationskraft meint eindeutig nur anziehende Kräfte zwischen Massen.
- Die Gewichtskraft meint eindeutig die Summe aus Gravitations- und Zentrifugalkraft.
- Der Begriff Schwerkraft hingegen wird in der Literatur nicht einheitlich verwendet.
- Zum Einen steht er als Synonym für die Gravitationskraft.
- Zum anderen als Synonym für die Gewichtskraft.
- Wenn man den Begriff verwendet, sollte man bei der ersten Nennung ...
- klarstellen, wie er zu verstehen ist.
- Mehr unter Schwerkraft ↗
Wie schnell ist die Gravitationskraft?
Isaac Newton ging nicht ausdrücklich auf die Frage ein, ob oder wie lange die Gravitationskraft bräuchte, um durch den Raum zu wandern. Er scheint davon ausgegangen zu sein, dass sie sich ohne Zeitverzögerung durch den Raum ausbreitet, also instantan als Fernwirkung zu betrachten ist. Heute geht man davon aus, dass sich die Schwerkraft höchstens so schnell wie das Licht ausbreiten kann. Siehe auch Lichtgeschwindigkeit ↗
Fußnoten
- [1] Stephen Hawking: Eine kurze Geschichte der Zeit. Die Suche nach der Urkraft des Universums. Englischer Originaltitel: A Brief History of Time. From the Big Bang to Black Holes. Deutsch im Rohwolt Taschenbuch Verlag. 1988. ISBN: 3-499-188-50-3.
- [2] Bis 2023 war unklar, ob die Gravitationskraft auf Antimaterie wirkt. In Experimenten am CERN konnte nachgewiesen werden, dass Antimaterie genauso von der Gravitationskraft beeinflusst wird wie normale Materie: Anderson, E.K., Baker, C. J., Bertsche, W. et al. Observation of the effect of gravity on the motion of antimatter. Nature 621, 716–722 (2023). Online: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06527-1
- [3] Albert Einstein: Über den Einfluß der Schwerkraft auf die Ausbreitung des Lichtes. In: Annalen der Physik. 35, 1911, S. 898–908.
- [4] Albert Einstein, Marcel Grossmann: Entwurf einer verallgemeinerten Relativitätstheorie und einer Theorie der Gravitation. In: Zeitschrift für Mathematik und Physik. 62, 1913, S. 225–261.
