Gravitationsfeld

Phänomen

Impulsquellen

• Stellt man einen Körper auf eine Waage, zeigt diese einen konstanten Impulsstrom an (in der Regel ist die Waage in Kilogramm geeicht, d.h. die Stärke des an die Erde abfliessenden Impulsstromes wird auf die Masse des Körpers umgerechnet).
• Lässt man den Körper fallen, nimmt seine Geschwindigkeit und damit auch sein Impulsinhalt mit konstanter Rate zu.

Der Impuls, der über die Waage an die Erde abfliesst oder im freien Fall gespeichert wird, fliesst unsichtbar, also ohne erkennbare Zuleitung vom Gravitationsfeld in den Körper hinein (hier ist stillschweigend vorausgesetzt worden, dass die positive Richtung nach unten zeigt). Diese Zufuhr erfolgt über den ganzen Körper verteilt, also volumenmässig, und ohne Rücksicht auf die momentane Bewegung. Bildlich gesprochen quillt der Impuls vom Gravitationsfeld her in den Körper hinein. Der durch diese Quelle zugeführte Impuls wird entweder unmittelbar und kontinuierlich an die Erde abgeführt (Statik) oder mit einer gewissen Verzögerung als ganzes Paket an die Unterlage abgegeben (Fallbewegung und Aufschlag).

Schwerelosigkeit

An einem bestimmten Ort verändert sich die Geschwindigkeit aller frei fallenden Körper mit der gleichen Rate, d.h. alle Körper erfahren die gleiche Beschleunigung. Dies ist eine direkte Folge der Äquivalenz von schwerer und träger Masse: weil die schwere Masse, die mit Hilfe einer Balkenwaage durch Massenvergleich bestimmt werden kann, für alle Stoffe identisch mit der trägen Masse ist, erzeugt die gravitative Impulsquelle bei allen Körpern die gleiche Beschleunigung. Deshalb heisst die Gravitationsfeldstärke auch Fallbeschleunigung.

Die Äquivalenz von schwerer und träger Masse hat enorme Konsequenzen:

• Wirft man einen Kessel voll Steine von einer Brücke in den Fluss, bewegen sie sich mit konstanter Relativgeschwindigkeit auseinander.
• Steigt ein Astronaut aus seinem Raumschiff aus, macht er die Fallbewegung seines Raumtransporters weiterhin mit. Er fliegt ohne sich festklammern zu müssen mit.
• Alle Gegenstände im Raumschiff drin bewegen sich berührungsfrei mit sehr kleinen Reltivgeschwindigkeiten gegeneinander.
• Sobald das Zugseil bei einem Lift reisst, müssen sich die Gegenstände im Innern des Liftes nicht mehr aufeinander abstützen, um beieinander zu bleiben. Dabei spielt es keine Rolle, ob sich der Lift noch verlangsamt nach oben bewegt, den höchstn Punkt erreicht hat oder schon nach unten fällt.

Da sich im im Vakuum alle Körper bei gegebener Anfangsgeschwindigkeit ohne gegenseitige Wirkung gemeinsamen durch den leeren Raum bewegen, entsteht das Gefühl der Schwerelosigkeit. Albert Einstein hat dieses Gefühl zum Ausgangspunkt seiner Überlegungen zur Gravitation gemacht und daraus geschlossen, dass jedes frei fallende System lokal als Inertialsystem angesehen werden kann.

Gezeitenwirkung

Starre, nichtrotierende Körper, die im Vakuum frei fallen, haben zu jedem Zeitpunkt überall die gleiche Beschleunigung. Weil das Gravitationsfeld dagegen inhomogen ist, führt es nicht allen Massenelementen gleich viel Impuls pro Zeit zu. Der zufliessende Impuls muss deshalb im Innern des Körpers so umverteilt werden, dass die Beschleunigung auch wirklich konstant bleibt. Dieses Phänomen des Ausgleichs nennt man Gezeitenwirkung. Gezeitenwirkungen sind nur bei sehr grossen Körpern wie der Erde oder bei sehr starken Gravitationsfeldern zu beobachten. Am Rande von schwarzen Löchern kann die Gezeitenwirkung so stark werden, dass sogar Moleküle zerrissen werden.

Feldstärke und Potenzial

Der Zustand des Gravitationsfeldes kann lokal mit Hilfe der Gravitationsfeldstärke beschrieben werden. Die Gravitationsfeldstärke beschreibt, mit welcher Rate ein Körper pro Masse Impuls mit dem Gravitationsfeld austauscht

[math]\vec g = \frac {\Sigma_{\vec p}}{m}[/math]

Die gravitative Impulsquelle bezüglich eines Körpers heisst Gewichts-, Schwer- oder Gravitationskraft

[math]\vec g = \frac {\vec F_G}{m}[/math]