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Warum fällt ein Raumschiff eigentlich nicht herunter?

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Dhe
Verschwörungsfreak
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14.11.2007 - 20:25


Angeregt durch einen anderen Thread, in dem ich mich kurz über Schwerkraft im Weltall ausgelassen habe, habe ich mir gedacht ich poste mal in die Kategorie "wieder was gelernt". Und zwar geht es um die Erklärung oben stehender Frage...physikalisch allerdings ein bißchen vereinfacht.

In medias res:

Frage: Wenn es so ist, daß die Stärke der Erdgravitation pro 30km Höhe nur um 1% abnimmt, warum fallen Raumschiffe (die sich ja nur so zwischen 100-1000 km bewegen) nicht wieder auf die Erde?

Antwort: Tun sie, nur fallen sie dabei über den Horizont.

Erklärung: Gravitation ist eine Kraft, die bewirkt, daß sich Körper mit Masse anziehen. Im Falle der Erde wirkt die Gravitation auf den Erdmittelpunkt, weil die Erde eine Kugel ist.

Stellen wir uns jetzt mal eine Erde ohne Atmosphäre, also ohne Reibung bzw. Bremswirkung durch Luft vor. Wir stehen am Strand, schauen auf den Horizont, nehmen einen Stein und werfen ihn in Richtung Horizont.
Nachdem er eine Weile geflogen ist, macht es platsch (ja ich weiß, wir hören es nicht, weil keine Luft da ist, aber wir haben ja Phantasie).

Was dabei passiert ist, ist daß auf den Stein eine Kraft gewirkt hat (der Wurf) die ihn beschleunigt hat. Außerdem hat eine zweite Kraft gewirkt, die ihn in Richtung Erdmittelpunkt gezogen hat. Da die Erde stärker ist als unser Arm, hat die Gravitation gewonnen und der Stein ist im Meer gelandet, nachdem er eine hübsche Parabel geflogen ist.

Oder nochmal hier für die visuelle Generation.

Angenommen ich habe heute morgen fleissig mein Steroidmüsli gefrühstückt und könnte mit meinem Arm eine Beschleunigung aufbauen, die analog der Erdanziehungskraft ist, so würde sich der stein anders verhalten. Er würde zwar permanent zum Zentrum der Erde gezogen werden, da aber eine gleichstarke tangentielle Kraft auf ihn wirkt, fliegt er permanent auf einer Kreisbahn (newtonsche Axiome) um die Erde.

Hier wieder als Bild.

Daraus ergibt, daß die tangentiale Kraft, sprich Geschwindigkeit höher sein muß, je weiter man sich vom Erdmittelpunkt entfernen will. Will man das Schwerefeld der Erde komplett verlassen, muß man extrem schnell sein.
Analog gilt das für alle Himmelskörper, nur sind da die jeweiligen Fluchtgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Masse jeweils unterschiedlich.

Ein Raumschiff bzw. Sattellit landet also deshalb nicht auf der Erde, weil permanent eine zweite Kraft der Erdanziehungskraft entgegen wirkt, was auch der Grund ist, warum man Raketen nicht 90° nach oben steigen läßt, sondern sofort vom Start weg die Neigung senkt. Das Nase des Space Shuttle ist bei 30 km Höhe beispielsweise nur noch mit ca. 20° oder weniger zur Erde geneigt.

Die scheinbare Schwerelosigkeit ist nur ein Ergebnis das sich aus dem Ausgleich zwischen zwei Kräften ergibt.

Außerdem muß man beachten, daß ein Raumschiff in niedrigem Erdorbit permanent gebremst wird: Die Atmosphäre ist zwar dünn, aber immernoch vorhanden. Wenn es aber bremst, verliert es Geschwindigkeit, d.h. die Zentripetalkraft wird größer als die tangentiale Kraft. Im Endeffekt bedeutet das, daß Raumschiffe immer mal wieder beschleunigen sollten, wenn sie oben bleiben wollen. Die ISS hat beispielsweise kleine Triebwerke die ab und zu gezündet werden und alle Vorräte an Bord von Wostok I waren auf eine Zeitdauer abgestimmt, die der natürlichen Bremskraft der oberen Atmosphäre entsprochen hat, für den Fall, daß die Bremsraketen nicht funktioniert hätten.

Wer das mal selbst ausprobieren will, dem lege ich Orbiter ans Herz. Das ist ein relativ exakter Weltraumsimulator. Allerdings sollte man sich als gewarnt betrachten: Das ist mehr Simulation als Spiel und gerade beim Einstieg ziemlich kompliziert.
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Orakel
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14.11.2007 - 20:25




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