Die Schwerkraft
Die Gravitation wird auch Schwerkraft oder in Bezug auf die Erde Erdanziehungskraft genannt.
Sie ist eine ganz merkwürdige Kraft. Bis heute ist nicht genau klar, wie sie eigentlich wirkt. Was wir wissen ist, dass sich Körper gegenseitig anziehen. Wie stark, hängt von ihrer Masse und der Entfernung zwischen ihnen ab. Je näher sie sich sind, desto stärker ziehen sie sich an.
Ist der eine Körper sehr viel schwerer als der andere, zieht er auch sehr viel stärker an ihm. Diesen Effekt konnten wir 1994 erleben, als der kleine Komet Shoemaker-Levy nahe am großen Jupiter vorbeizog und von diesem so angezogen wurde, dass er in die Atmosphäre des Jupiter eintauchte und verglühte.
Die Schwerkraft der Erde bewirkt, dass alles zum Erdmittelpunkt hingezogen wird. Es ist also egal, ob wir auf der Erde 'oben' in Europa oder 'unten' in Australien sind - keiner fällt von der Erde herunter. Alle werden zum Mittelpunkt hin angezogen und festgehalten. Es gibt kein echtes oben und unten.
Um etwas, beispielsweise eine Rakete, von der Erde wegzubekommen, sind enorme Schubkräfte nötig, die die Erdanziehungskraft überwinden müssen. Fällt auch nur ein Triebwerk der Rakete beim Start aus, wird sie es nicht bis in den Weltraum schaffen. Sie wird zwar hochfliegen, aber dann in einem großen Bogen abstürzen.
Schwerkraft bewirkt außerdem, dass sich der Raum um einen Körper krümmt. Das ist sehr schwer zu verstehen, und man kam erst vor etwa 100 Jahren darauf. Albert Einstein erklärte diesen Effekt in seiner Relativitätstheorie. Um sich das vorstellen zu können, such dir ein Tuch, einen Stein oder eine Murmel und jemanden, der mitmachen kann. Jetzt haltet das Tuch straff an den vier Ecken und legt den Gegenstand darauf.
Was passiert mit dem Tuch? Da wo der Gegenstand liegt, ist das Tuch nun eingebeult. So kann man sich auch den Raum um einen Himmelskörper vorstellen. Unsere Sonne beispielsweise vereint 98% der gesamten Masse des Sonnensystems. Sie verbeult den Raum ganz ordentlich.
Noch viel extremer sind Schwarze Löcher. Sie entstanden aus extrem massereichen Sternen und verbeulen den Raum derart, dass sozusagen ein Loch entsteht. Kommt irgendetwas dem Schwarzen Loch zu nahe, stürzt es hinein und verschwindet. Das klappt mit Materie und selbst mit Licht! Auch Lichtstrahlen können dem Schwarzen Loch nicht mehr entkommen. Deshalb ist es so schwarz - es sendet kein Licht aus.
Die Raumkrümmung
Der Weltraum ist, wie man so oft hört, vierdimensional. Das heißt er besitzt die Richtungen Länge, Breite und Höhe, in denen man sich mit einem Raumschiff frei bewegen kann.
Die vierte Dimension ist die Zeit. Darin können wir uns aber nur in eine Richtung bewegen, nämlich nach vorne in die Zukunft.
Auf dem rechten Bild sind nur zwei Dimensionen zu erkennen, Länge und Breite. Der Raum ist zwar unsichtbar und hat auch keine Linien, aber wenn wir sie uns dazudenken, können wir uns besser vorstellen, wie er durch Masse verbeult wird.
Auf dem Bild rechts ist nichts verbeult oder gekrümmt, der Raum wird hier von keinerlei Masse beeinflusst.
Auf dem nächsten Bild ist zu sehen, wie der Raum verbeult wird. Der Körper krümmt den ihn umgebenden Raum mit seiner Masse. Je schwerer ein Körper ist, desto stärker ist auch die Raumkrümmung. Das ist hier am Beispiel der Sonne dargestellt.
Auch die Erde bewirkt diesen Effekt, nur nicht so stark wie die Sonne, weil sie ja weniger Masse besitzt. So kann man sich besser vorstellen, weshalb ein kleinerer Körper von einem großen angezogen wird: Er 'rollt' in die Grube, die durch die schwere Sonne entstanden ist.
Die Planeten rollen nur deshalb nicht direkt in die Sonne und verglühen dort, weil eine andere Kraft der Gravitation oder Raumkrümmung entgegenwirkt: die Fliehkraft.
Je näher ein Planet der Sonne ist, desto stärker wirkt ihre Gravitation auf ihn. Für eine stabile Umlaufbahn ist eine entsprechend höhere Geschwindigkeit nötig. Deshalb bewegt sich Merkur, der sonnennächste Planet, mit der höchsten Geschwindigkeit aller Planeten um die Sonne. Er kommt auf eine durchschnittliche Geschwindigkeit von sagenhaften 172 000 km/h! Damit ist er beispielsweise mehr als doppelt so schnell wie der Planet Mars mit 86 760 km/h.
Wie schnell alle Planeten unterwegs sind, steht in der Planetentabelle. Wäre Merkur langsamer, würde er auf einer Spiralbahn der Sonne immer näher kommen und irgendwann in ihre Atmosphäre eintauchen und verglühen.
Wie wirkt die Schwerkraft?
Die Sonne hält mit ihrer Schwerkraft alle Planeten, Asteroiden, Kometen und was sonst noch alles herumschwirrt fest und lässt sie nicht davonfliegen.
Die Fliehkraft wiederum verhindert, dass die Planeten in die Sonne stürzen. Sie wirkt der Schwerkraft so entgegen, dass sich beide Kräfte aufheben und der Körper sich in einer Umlaufbahn um die Sonne bewegt.
Selbst auf Pluto, der mehr als 6 Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt ist, wirkt die Gravitation der Sonne. Die Körper des Sonnensystems bewegen sich also auf recht stabilen Bahnen um die Sonne.
Nicht nur die Sonne, jeder Körper besitzt eine Anziehungskraft. Sie hängt von seiner Masse ab. Da die Sonne der größte Körper ist (sie besitzt ca. 98% der gesamten Masse im Sonnensystem), ist ihre Gravitation auch am größten und einflussreichsten.
Das kann man am Beispiel der Kometen sehen: sie umrunden die Sonne auf langgestreckten Ellipsen. Ihre Bahn führt sie quer durch das Sonnensystem.
Zeitweise bewegen sie sich sehr weit außen in Sonnenferne. Dann ist auch die Reisegeschwindigkeit geringer. Nähern sie sich der Sonne, werden sie immer schneller. Mit viel Schwung umrunden sie die Sonne und entfernen sich dann wieder von ihr, dabei immer langsamer werdend.
Die Geschwindigkeit eines Himmelskörpers auf seiner Umlaufbahn hängt also vom Abstand zu dem Körper ab, den er umkreist.
Auf ihrem Weg um die Sonne kommen Kometen auch an den im Vergleich zu ihnen viel größeren Planeten vorbei. Ihre Bahn wird dabei von der Gravitation des Planeten beeinflusst. Je nach Abstand zum Planeten nur minimal oder auch ganz gravierend, wie wir im Jahr 1994 beobachten konnten.
Damals kam der Komet Shoemaker-Levy 9 dem Planeten Jupiter zu nahe und wurde durch dessen Gravitationseinfluss zerrissen und aus der Bahn gebracht. Am Ende stürzten die Kometenbruchstücke in den Gasriesen, den Kometen gibt es nicht mehr. Auf dem Bild ist das Eintauchen des Bruchstücks G in die Jupiterwolken zu sehen.
Auch die Erde ändert ihre Geschwindigkeit auf ihrem Weg um die Sonne.
Wenn es auf der Nordhalbkugel gerade Winter ist, befindet sich die Erde in Sonnennähe und bewegt sich auf ihrer Bahn etwas schneller.
Sie hat dann einen Minimalabstand von 147,1 Millionen Kilometern zur Sonne und eine Geschwindigkeit von 109 044 km/h.
Im Sommer dagegen erreicht die Erde auf ihrer Bahn den Punkt mit dem größten Abstand zur Sonne. Sie ist nun 152,1 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt und bewegt sich mit 105 444 km/h langsamer als im Winter.
Das Gleiche geschieht mit dem Mond, der hauptsächlich von der Gravitation der Erde beeinflusst wird.
Auch er hat auf seiner Umlaufbahn nicht immer den gleichen Abstand.
Es gibt einen Moment der größten Annäherung (der Abstand Erde - Mond beträgt dann 363 300 km) und einen Moment des maximalen Abstandes (405 500 km).
Entsprechend ändert sich auch die Bahngeschwindigkeit des Mondes. Sie reicht von 3873 km/h in Erdnähe und 3470 km/h in Erdferne.
Egal wo auf der Erde wir uns befinden, wir fallen nicht von ihr herunter. Die Erdanziehungskraft wirkt immer zum Erdmittelpunkt hin. Außerdem gibt es kein 'oben' oder 'unten'.
Wir bewegen uns auf einer Kugeloberfläche. Überall wo wir hinkommen, haben wir den Erdboden zu unseren Füßen und den Himmel über uns.
Egal ob in Europa, Afrika, Asien, Amerika oder Australien, die Schwerkraft wirkt überall gleichermaßen auf uns ein. Weder fallen wir von der Erde herunter noch steht irgendwo jemand auf dem Kopf (außer im Sport..).
Wollen wir die Erde verlassen, müssen wir die Erdanziehungskraft überwinden, die uns an unseren Planeten 'fesselt'. Dazu ist eine Gegenkraft nötig, die größer ist als die Schwerkraft. Deshalb starten Raketen immer mit solch großem Getöse und in einem ungeheuren Feuerschwall mit viel Dampf.
Eine Weltraumrakete besitzt die stärksten Triebwerke, die es gibt. Um genügend Schubkraft erzeugen zu können, haben Raketen am unteren Ende jede Menge Düsen, aus denen mit hohem Druck die Abgase der Triebwerke strömen und die Rakete in die Gegenrichtung, nach oben, drücken.
Nur wenn die Rakete die erforderliche Fluchtgeschwindigkeit erreicht, wird sie dauerhaft der Erdanziehungskraft entkommen. Ist sie ein klein wenig zu langsam, startet sie zwar zunächst und steigt auch in die Höhe, stürzt jedoch irgendwann wieder zurück Richtung Erdboden.
Gravitation auf anderen Himmelskörpern
Auf dem Mond
Der Mond ist kleiner und leichter als die Erde. Seine Anziehungskraft ist also geringer. Mondbesucher spüren das, weil sie höher und weiter springen können. Das konnte man schön an den Bewegungen der amerikanischen Astronauten beobachten. Der Unterschied zwischen den Gravitationen von Erde und Mond ist enorm. Teile das Gewicht, das dir deine Waage anzeigt, einfach durch sechs. Dann weißt du, wie 'schwer' du auf dem Mond wärst.
Auf dem Mars
Die Gravitation des Mars beträgt nur ein Drittel der Erdanziehungskraft. Damit sind wir auf dem Mars leichter als auf der Erde (eigenes Gewicht durch drei teilen!), aber schwerer als auf dem Mond. Marsbesucher könnten auf ihren Spaziergängen dort den Unterschied spüren. Sprünge fallen leichter, Gegenstände können weiter geworfen werden als auf der Erde.
Auf Gasplaneten
Auf Gasplaneten können wir nicht landen, da ihre feste Oberfläche tief in der dicken Atmosphärenschicht verborgen ist. Wenn wir aber landen könnten, hätten wir keinen Spaß daran. Die großen Gasplaneten verfügen über eine enorme Anziehungskraft, die uns platt auf den Boden pressen würde, Wir könnten nicht aufstehen. Aber wie gesagt, Besuche dort sind nicht möglich. Außerdem würde uns der Luftdruck in der Gashülle zerquetschen.
In der Raumstation
In einer Raumstation herrscht Schwerelosigkeit, die Gravitation ist nahezu Null. Dennoch befindet sie sich im Einflussbereich des Schwerefeldes der Erde. Würde die Raumstation anhalten, könnten die Astronauten eine leichte Gravitation spüren, die sie Richtung Erde zieht. Da die Erde aber gleichfalls an der Raumstation zieht und diese abstürzen würde, wird sie in einer Umlaufbahn gehalten. Hier wirkt die Fliehkraft der Erdanziehung entgegen. Da sich beide Kräfte aufheben, kommt es zur Schwerelosigkeit an Bord.
Was Schwerelosigkeit für den menschlichen Organismus bedeutet, erfährst du auf der Seite "Menschen im All".
Auf Asteroiden
Selbst auf Asteroiden, die ja nun ziemlich klein sind, könnte man herumspazieren. Allerdings ist die Anziehungskraft dort sehr gering. Es wären sehr hohe Sprünge möglich. Man muss nur aufpassen, dass man nicht aus Versehen entschwebt, je nach Größe des Asteroiden..
Wer einmal testen möchte, was die Waage auf anderen Himmelskörpern anzeigen würde, der kann den Schwerkraftrechner benutzen.