Big Bang 5 RG, Schulbuch

nf6p48 96  Mechanik 1 Newtons Gravitationsgesetz 10 Hier beschäftigen wir uns mit einer der weitreichendsten Verallgemeinerungen, die der Menschenverstand je getroffen hat: Alles im Universum folgt dem raffiniert einfachen Gesetz der Gravitation! Jeder Gegenstand zieht jeden Gegenstand an! Der Mann, der diese Entdeckung machte, ist einer der größten Physiker, die jemals gelebt haben: SIR ISAAC NEWTON. 10.1 Ein genialer Wurf Das Gravitationsgesetz Eine der wichtigsten Fragen, die Physiker beschäftigt, lautet: Warum? In diesem Abschnitt geht es unter anderem um die Frage: Warum fällt der Mond nicht vom Himmel? Und NEWTON wusste die Antwort.  ?: Fragenbox Dass die Erde alle Gegenstände anzieht, weiß man aus Erfahrung. Wie ist das aber zwischen Erde und Mond oder zwischen Sonne und Planeten? KEPLER lieferte mit seinen Gesetzen (Kap. 9.3, S. 88) ab 1609 das „Wie“ zu den Planeten- bahnen. Es dauerte aber bis 1687 , bis uns NEWTON das fehlende „Warum“ liefern konnte! Früher glaubte man, dass am Himmel andere Gesetze herrschen als auf der Erde, denn der Mond und die Planeten fallen ja bekanntermaßen nicht vom Himmel. Und jetzt kommt der berühmte Apfel ins Spiel. Angeblich beobachtete NEWTON unter einem Baum liegend den Mond, als ihm ein Apfel auf den Kopf fiel. Und da hatte er diese großartige Idee: Er verstand in diesem Augenblick die Bewegung des Mondes als ein „Fallen um die Erde“. Er kam zu dem Schluss, dass die Umlaufbahn des Mondes und der Fall des Apfels auf dieselben Gesetzmäßigkeiten zurückzu- führen sind, nämlich auf die Gravitation zwischen allen Gegenständen. Wie soll man sich das vorstellen? Wenn du einen Apfel einfach loslässt, dann fällt er auf Grund der Gravitation zu Boden. Wenn du ihn wirfst, fliegt er umso weiter, je schnel- ler er ist (Abb. 10.4). Der Grund, dass er schließlich doch zu Boden fällt, ist immer noch derselbe: die Gravitation der Erde. Bei einer horizontalen Abwurfgeschwindigkeit von knapp 8km/s passiert nun aber etwas Verblüffendes: Der Apfel bewegt sich auf einer Kreisbahn um die Erde ( F1 ). Was lässt ihn auf der Kreisbahn fliegen? Die Gravitation der Erde! Der Apfel befindet sich immer noch im freien Fall! Abb. 10.1 Angenommen, du besitzt Superkräfte. Ist es möglich, dass du von einem hohen Berg einen Apfel so schnell abwirfst, dass er die ganze Erde umrundet (wenn wir den Luftwiderstand vernachlässigen)? Gelten überall im Universum dieselben mechanischen Gesetze? Wenn ja, warum fällt ein Apfel zu Boden, der Mond aber nicht? Warum fallen die Planeten nicht vom Himmel? Warum bleibt dieses Buch nicht am Tisch „kleben“ und die Seiten nicht aneinander? Warum wirst du von deinem Sitznachbarn nicht angezogen? Im Weltall schwebt ein Tisch, auf den du die Erde legst. Wie viel würde sie wiegen? Und wie viel würde sie wiegen, wenn sie bei gleichem Radius die doppelte Masse hätte? Was besagt das dritte Newton’sche Axiom (siehe Kapitel 7.5, S. 67), und was versteht man unter der Zentripetalkraft (Kapitel 7.4.4, S. 66)? Du leuchtest mit einer Taschenlampe an eine Wand. Der Lichtfleck hat eine bestimmte Helligkeit! Wie groß ist diese, wenn die Wand doppelt so weit weg ist? Welche Masse hat die Erde? Kannst du dir vorstellen, woher man das eigentlich weiß? Und wie weit muss man sich von der Erde entfernen, damit keine Gravitation mehr wirkt? Einmal befindest du dich in der Nähe eines Sterns (Abb. 10.3 a), einmal bei einem Schwarzen Loch mit derselben Masse (b). In welchem Fall ist die Gravitation größer? Oder ist es egal? Kannst du das begründen? F1 A2  Abb. 10.2 F2 A2  F3 A2  F4 A2  F5 A2  F6 A2  F7 A2  Abb. 10.3:  Ein Stern und ein Schwarzes Loch mit gleicher Masse. Die Maßstäbe stimmen nicht, damit man diese besser darstellen kann. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

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