Sonderbarer Unterschied: Äpfel fallen vom Baum. Flugzeugteile fallen vom Himmel. Astronauten und Satelliten aber nicht. Warum fallen Astronauten nicht zur Erde?
Astronauten fallen nicht zur Erde, weil sie sich mit hoher Geschwindigkeit seitlich um die Erde bewegen. Sie fallen ständig – aber sie verfehlen dabei immer den Boden.
Diese große Geschwindigkeit erhalten sie beim Raketenstart. Die Gravitationskraft der Erde hält sie dabei auf einer Umlaufbahn.
Wikipedia: Gravitationskraft | Umlaufbahn | Kosmische Geschwindigkeiten | Keplersche Gesetze
Begriffe: Orbit, Erdumlaufbahn, Gravitationskraft, Erdanziehungskraft, kosmische Geschwindigkeit, Fluchtgeschwindigkeit, Kreisbahn, Ellipsenbahn, Parabel, Hyperbel, geostationärer Satellit, Lagrange-Punkt
Erklärung mit Video (engl.): TED-Ed: Free Falling in Outer Space
Hintergrund
Äpfel fallen vom Baum. Astronauten aber bleiben scheinbar oben. Oft hört man: Astronauten sind schwerelos. Das ist jedoch nicht richtig. Die Schwerkraft der Erde wirkt auch in 400 oder 500 Kilometern Höhe fast gleich stark wie am Boden.
Der entscheidende Unterschied ist die Geschwindigkeit. Ein Apfel hängt zunächst still am Ast. Fällt er, bewegt er sich fast nur nach unten. Ein Astronaut bewegt sich dagegen sehr schnell seitlich um die Erde.
Man kann sich das wie ein Gedankenexperiment vorstellen: Wirft man einen Apfel, fällt er nach kurzer Zeit zu Boden. Wirft man ihn schneller, fliegt er weiter. Wird er immer schneller, fällt er so stark um die Erde herum, dass er den Boden nie erreicht.
Ab dieser Geschwindigkeit befindet sich das Objekt im Orbit. Es fällt ständig zur Erde, trifft sie aber nie. Genau so bewegen sich Astronauten und Satelliten.
Dass sie nicht ins Weltall davonfliegen, liegt an der Gravitationskraft der Erde. Sie lenkt ihre Bewegung ständig zur Erde hin um.
In niedriger Höhe würde Luftreibung die Astronauten abbremsen. Wer langsamer wird, fällt wieder nach unten. Darum kreisen Raumstationen in mehreren hundert Kilometern Höhe.
Auf 36 000 Kilometern Höhe bewegen sich Satelliten langsamer. Dort brauchen sie genau 24 Stunden für eine Umrundung. Solche Satelliten heißen geostationär, weil sie scheinbar über einem festen Punkt der Erde stehen.
Zwischen Erde und Mond gibt es außerdem Punkte, an denen sich Anziehungskräfte aufheben. Solche Orte nennt man Lagrange-Punkte.
Fragen
- Warum wirkt die Schwerkraft auch in großer Höhe noch stark?
- Welche Rolle spielt die Geschwindigkeit für einen Orbit?
- Warum fallen Satelliten nicht einfach nach unten?
- Was passiert, wenn ein Satellit langsamer wird?
- Warum gibt es geostationäre Satelliten nur in großer Höhe?
Rechnungen
- Um wie viel Prozent ist die Gravitationskraft in 400 km Höhe kleiner als am Erdboden? Lösung: Die Gravitationskraft ist in 400 km Höhe um etwa 11,7 % kleiner als am Erdboden.
- Wie groß ist die erste kosmische Geschwindigkeit? Lösung: Rund 7,9 km/s, das sind 28.400 km/h.
- Wie groß ist die zweite kosmische Geschwindigkeit? Lösung: Rund 11,2 km/s, das sind 40.300 km/h.
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