Fallbewegung und Schwerelosigkeit
Auf der Kirmes in Düsseldorf rast der „Freifall-Turm“ mit dir nach unten, und im Magen kribbelt es: Es fühlt sich an, als hättest du kein Gewicht mehr. Ist die Gewichtskraft in diesem Moment wirklich weg? Und warum fällt ein Blatt Papier langsamer als ein Stein? Das klärst du auf dieser Seite.
Der freie Fall
Lässt du einen Stein los, fällt er nach unten. Verantwortlich ist die Gewichtskraft $F_\text{G} = m \cdot g$ mit $g = 9{,}81\,\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}}$. Sie zieht jeden Körper zum Erdmittelpunkt.
Fällt ein Körper nur unter dem Einfluss der Gewichtskraft, spricht man von freiem Fall. Seine Geschwindigkeit nimmt dabei ständig zu: Nach einer Sekunde ist der Körper etwa $10\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$ schnell, nach zwei Sekunden etwa $20\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$. Die Masse des Körpers bleibt dabei gleich.
Nenne die Kraft, die alle Körper beim freien Fall nach unten zieht, und gib an, welche Größe sich beim Fall ständig ändert (Geschwindigkeit oder Masse).
Nenne die Kraft, die alle Körper beim freien Fall nach unten zieht, und gib an, welche Größe sich beim Fall ständig ändert (Geschwindigkeit oder Masse).
Schwere und leichte Körper fallen gleich schnell
Viele denken: „Schwere Körper fallen schneller.“ Im Alltag stimmt das oft, aber aus einem anderen Grund (siehe nächster Abschnitt). Im Vakuum gilt:
Warum? Ein Stein mit doppelter Masse hat die doppelte Gewichtskraft ($F_\text{G} = m \cdot g$). Er ist aber auch doppelt so träge: Er setzt jeder Änderung seiner Bewegung doppelt so viel Widerstand entgegen. Die doppelt so große Kraft muss also eine doppelt so große Masse beschleunigen. Beides gleicht sich genau aus.
| Stein A | Stein B | |
|---|---|---|
| Masse | $1\,\mathrm{kg}$ | $2\,\mathrm{kg}$ |
| Gewichtskraft | $\approx 10\,\mathrm{N}$ | $\approx 20\,\mathrm{N}$ |
| Trägheit | normal | doppelt so groß |
| Fallzeit | gleich | gleich |
Eine Stahlkugel und eine Holzkugel gleicher Größe werden im Vakuum gleichzeitig aus gleicher Höhe losgelassen. Welche kommt zuerst unten an?
Eine Stahlkugel und eine Holzkugel gleicher Größe werden im Vakuum gleichzeitig aus gleicher Höhe losgelassen. Welche kommt zuerst unten an?
Ein Stein fällt aus $20\ \text{m}$ Höhe von einer Brücke über den Rhein. Ein zweiter Stein mit doppelter Masse fällt aus derselben Höhe, Luftwiderstand ist…
Ein Stein fällt aus $20\ \text{m}$ Höhe von einer Brücke über den Rhein. Ein zweiter Stein mit doppelter Masse fällt aus derselben Höhe, Luftwiderstand ist vernachlässigbar.
- a) Vergleiche die Fallzeiten.
- b) Vergleiche die Gewichtskräfte.
- c) Warum fällt der schwerere Stein trotz größerer Gewichtskraft nicht schneller?
Luftwiderstand
Warum fällt dann ein Blatt Papier langsamer als ein Stein? Weil in der Luft eine zweite Kraft wirkt: der Luftwiderstand. Er zeigt entgegen der Fallrichtung und wird größer, wenn
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die Fläche, die der Luft entgegensteht, größer ist,
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die Geschwindigkeit größer wird.
Ein flaches Blatt hat viel Fläche und wenig Gewichtskraft, der Luftwiderstand bremst es stark. Zerknüllst du es, wird die Fläche klein, und es fällt fast wie ein Stein.
Ein Blatt Papier fällt in der Luft langsamer als ein Stein. Das gleiche Blatt, zu einer Kugel zerknüllt, fällt schneller. a) Erkläre den Unterschied mit dem…
Ein Blatt Papier fällt in der Luft langsamer als ein Stein. Das gleiche Blatt, zu einer Kugel zerknüllt, fällt schneller.
- a) Erkläre den Unterschied mit dem Luftwiderstand.
- b) Wie würde das Experiment im Vakuum ausgehen?
Beim Apollo-15-Versuch ließ ein Astronaut auf dem Mond eine Feder und einen Hammer gleichzeitig fallen. Beide landeten gleichzeitig. a) Erkläre das Ergebnis. b)…
Beim Apollo-15-Versuch ließ ein Astronaut auf dem Mond eine Feder und einen Hammer gleichzeitig fallen. Beide landeten gleichzeitig.
- a) Erkläre das Ergebnis.
- b) Begründe, warum derselbe Versuch auf der Erde in der Luft anders ausgeht.
- c) Erläutere, warum man die Aussage „Schwerere Körper fallen schneller“ nur bei Luftwiderstand scheinbar bestätigt findet.
Ein Fallschirmspringer springt über dem Niederrhein ab. Zuerst nimmt seine Geschwindigkeit zu, später fällt er mit konstanter Geschwindigkeit. a) Erkläre, warum die…
Ein Fallschirmspringer springt über dem Niederrhein ab. Zuerst nimmt seine Geschwindigkeit zu, später fällt er mit konstanter Geschwindigkeit.
- a) Erkläre, warum die Geschwindigkeit zunächst zunimmt.
- b) Begründe, was bei konstanter Geschwindigkeit über Gewichtskraft und Luftwiderstand gilt.
- c) Nach dem Öffnen des Schirms ändert sich die Geschwindigkeit. Beschreibe, wie und warum.
Schwerelosigkeit
Wir „spüren“ unser Gewicht, weil der Boden uns nach oben drückt. Diese Kraft des Bodens (oder der Waage) halten wir für unser Gewicht. Die Gewichtskraft selbst spüren wir nicht direkt.
Beim freien Fall fällt der Boden mit dir mit. Er drückt nicht mehr gegen dich, die Waage zeigt $0\,\mathrm{N}$. Es entsteht der Eindruck der Schwerelosigkeit, obwohl die Gewichtskraft weiter wirkt.
Das gilt auch in der ISS. Sie kreist in etwa $400\,\mathrm{km}$ Höhe. Der Erdradius beträgt etwa $6.370\,\mathrm{km}$, die ISS ist also nur etwa 6 % weiter vom Erdmittelpunkt entfernt als wir. Die Gewichtskraft ist dort noch etwa 90 % so groß wie am Boden. Die Station fällt ständig um die Erde herum: Sie „fällt“ dabei immer so schnell zur Seite, dass sie die Erde verfehlt. Astronauten und Station fallen gemeinsam, deshalb schweben die Astronauten.
Astronauten in der ISS schweben scheinbar. Bedeutet das, dass auf sie keine Gewichtskraft wirkt? Antworte mit Ja oder Nein und begründe kurz.
Astronauten in der ISS schweben scheinbar. Bedeutet das, dass auf sie keine Gewichtskraft wirkt? Antworte mit Ja oder Nein und begründe kurz.
In einem Fallturm in Bremen fällt eine Kapsel frei nach unten. Die Forscher im Inneren schweben. a) Beschreibe, warum die Forscher das Gefühl der Schwerelosigkeit haben.…
In einem Fallturm in Bremen fällt eine Kapsel frei nach unten. Die Forscher im Inneren schweben.
- a) Beschreibe, warum die Forscher das Gefühl der Schwerelosigkeit haben.
- b) Warum spüren wir sonst unser Gewicht? Nenne die Kraft, die wir am Boden spüren.
Ein Schüler sagt: „In der Raumstation ISS gibt es keine Schwerkraft, deshalb schweben die Astronauten.“ Die ISS umkreist die Erde in etwa $400\ \text{km}$ Höhe, der…
Ein Schüler sagt: „In der Raumstation ISS gibt es keine Schwerkraft, deshalb schweben die Astronauten.“ Die ISS umkreist die Erde in etwa $400\ \text{km}$ Höhe, der Erdradius beträgt etwa $6.370\ \text{km}$.
- a) Beurteile die Aussage mit Hilfe der Entfernungen.
- b) Erkläre die Schwerelosigkeit als subjektiven Eindruck des freien Falls.
- c) Beschreibe, wie sich eine Personenwaage in der ISS verhalten würde.
Zurück zum Anfang: Im Freifall-Turm fällst du mit dem Sitz zusammen nach unten, er drückt nicht mehr gegen dich. Die Gewichtskraft wirkt weiter, aber du spürst sie nicht.
Auf einen Blick
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Beim freien Fall wirkt nur die Gewichtskraft $F_\text{G} = m \cdot g$; die Geschwindigkeit nimmt ständig zu.
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Im Vakuum fallen alle Körper gleich schnell: Mit der Masse wachsen Gewichtskraft und Trägheit.
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In Luft bremst der Luftwiderstand. Er hängt von der Fläche und der Geschwindigkeit ab. Bei $F_\text{L} = F_\text{G}$ fällt der Körper mit konstanter Geschwindigkeit.
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Schwerelosigkeit ist der Eindruck des freien Falls: Nichts drückt gegen den Körper. Die Gewichtskraft ist auch in der ISS noch vorhanden.