Umlaufbahnen und Schwerelosigkeit einfach erklärt: Der freie Fall

Wenn wir Videos von Astronauten auf der Internationalen Raumstation (ISS) sehen, schweben sie völlig schwerelos durch den Raum. Hast du dich jemals gefragt, warum das so ist? In diesem Artikel erklären wir dir das Thema Umlaufbahnen und Schwerelosigkeit ganz genau.

Die meisten Menschen glauben, dass es im Weltraum einfach keine Schwerkraft gibt. Aber das ist ein großer Irrtum! Die ISS ist nur etwa $400 \text{ km}$ von der Erde entfernt. Dort oben ist die Anziehungskraft der Erde fast noch genauso stark wie hier unten auf dem Boden. In dieser Lektion werden wir ein faszinierendes Geheimnis der Physik lüften: Die Astronauten schweben nicht, weil die Schwerkraft fehlt, sondern weil sie ununterbrochen auf die Erde fallen, ohne sie jemals zu treffen!

Vorwissen

• Das Trägheitsgesetz: Ein Körper möchte sich immer geradlinig mit der gleichen Geschwindigkeit weiterbewegen, solange keine Kraft auf ihn wirkt. Beispiel: Wenn du auf dem Eis ausrutschst, rutschst du geradlinig weiter, bis die Reibung dich bremst.
• Die Gewichtskraft (Gravitation): Die Erde zieht alle Körper in Richtung ihres Mittelpunkts (also nach unten) an. Beispiel: Wenn du einen Ball loslässt, fällt er direkt nach unten auf den Boden.

Aufgabentyp 1: Orbitalbewegung und Newtons Gedankenexperiment

Um zu verstehen, wie Umlaufbahnen und Schwerelosigkeit zusammenhängen und wie Satelliten oder der Mond in ihrer Umlaufbahn bleiben, hat sich der berühmte Physiker Isaac Newton ein geniales Gedankenexperiment ausgedacht: den „Wurf um die Erde“.

Stell dir vor, du stehst auf einem unvorstellbar hohen Berg, der bis in den Weltraum reicht. Du wirfst einen Stein waagerecht (horizontal) nach vorne. Was passiert?

Auf den Stein wirken zwei Dinge gleichzeitig:

1. Seine Trägheit möchte, dass er einfach schnurgeradeaus in den Weltraum weiterfliegt.
2. Die Gravitation der Erde zieht ihn gleichzeitig nach unten.

Weil beide Dinge gleichzeitig passieren, fliegt der Stein nicht geradeaus und fällt auch nicht direkt nach unten. Er beschreibt eine Kurve und trifft irgendwann auf dem Boden auf.

Wenn du den Stein nun schneller wirfst, fliegt er weiter, bevor er den Boden berührt. Die Kurve wird flacher.

Jetzt kommt der entscheidende Trick: Die Erde ist eine Kugel, ihre Oberfläche ist also gekrümmt. Wenn du den Stein extrem schnell wirfst (etwa $28.000 \text{ km/h}$), passiert etwas Magisches: Der Stein fällt zwar immer noch durch die Gravitation nach unten, aber weil er so unglaublich schnell nach vorne fliegt, krümmt sich die Erdoberfläche unter ihm im exakt gleichen Maß weg!

Der Stein fällt und fällt, aber der Boden weicht genauso schnell zurück. Der Stein fällt also um die Erde herum. Das ist eine Umlaufbahn (Orbitalbewegung). Ein Satellit oder der Mond fliegen nicht einfach so im Kreis – sie befinden sich in einem permanenten freien Fall!

Aufgabentyp 2: Schwerelosigkeit im freien Fall

Wir haben gerade gelernt, dass die ISS und die Astronauten darin ununterbrochen um die Erde fallen. Aber warum schweben die Astronauten dann?

Um das zu verstehen, müssen wir klären, was „Gewicht“ eigentlich ist. Du spürst dein Gewicht nur, weil der Fußboden dich stützt und gegen deine Füße drückt. Wenn der Fußboden plötzlich verschwinden würde, würdest du fallen. In diesem Moment des Fallens drückt nichts mehr gegen deine Füße – du würdest dich schwerelos fühlen.

Daraus ergibt sich ein ganz wichtiger Merksatz der Physik:

Körper im freien Fall sind schwerelos.

Schwerelosigkeit bedeutet also nicht, dass es keine Gravitation gibt. Die Gravitation ist ja genau der Grund, warum die Dinge fallen! Schwerelosigkeit bedeutet nur, dass man sich im freien Fall befindet und von nichts mehr abgestützt wird.

Da die ISS und die Astronauten im Inneren mit der exakt gleichen Geschwindigkeit um die Erde fallen, fällt der „Fußboden“ der Raumstation genauso schnell wie der Astronaut. Der Boden kann den Astronauten also nicht stützen. Deshalb schweben die Astronauten schwerelos in der Kabine.

Durchgerechnete Beispiele

Aufgabentyp 3: Experiment – Der fallende Wasserbecher

Zweck: Wir beweisen, dass Körper im freien Fall schwerelos sind, auch hier auf der Erde.

Materialien: Ein Plastikbecher, eine Reißzwecke (um ein Loch zu stechen), Wasser, ein Eimer.

Durchführung:

1. Stich mit der Reißzwecke ein kleines Loch unten in den Boden des Plastikbechers.
2. Halte den Becher über den Eimer und halte das Loch mit einem Finger zu.
3. Fülle den Becher mit Wasser.
4. Nimm den Finger weg und halte den Becher still. Beobachte, was passiert.
5. Lass den Becher nun aus etwa $1,5 \text{ m}$ Höhe in den Eimer fallen. Beobachte das Loch genau während der Becher fällt.

Beobachtung:

Solange du den Becher festhältst, fließt das Wasser in einem Strahl aus dem Loch nach unten. Sobald du den Becher loslässt und er fällt, hört das Wasser sofort auf, aus dem Loch zu fließen. Während des gesamten Falls bleibt das Wasser im Becher.

Erklärung:

Wenn du den Becher festhältst, zieht die Gravitation das Wasser nach unten durch das Loch. Wenn du den Becher loslässt, befinden sich der Becher und das Wasser im freien Fall. Beide fallen exakt gleich schnell nach unten. Weil das Wasser nicht mehr schneller fällt als der Becherboden, drückt es nicht mehr auf den Boden und fließt nicht mehr heraus. Das Wasser im Becher ist für den Moment des Falls schwerelos geworden!

Wichtige Erkenntnisse

• Eine Umlaufbahn (wie die des Mondes oder der ISS) ist in Wirklichkeit ein permanenter freier Fall um die Erde herum.
• Die extrem hohe Vorwärtsgeschwindigkeit sorgt dafür, dass ein Satellit die Erde beim Fallen immer wieder „verfehlt“.
• Merksatz: Körper im freien Fall sind schwerelos.
• Astronauten im Weltall schweben nicht, weil die Schwerkraft fehlt, sondern weil sie ununterbrochen fallen.