Erdbeschleunigung
Die Erdbeschleunigung, Erdschwerebeschleunigung oder Fallbeschleunigung der Erde gibt an, welcher Beschleunigung ein Körper beim freien Fall im Gravitationsfeld der Erde erfährt. An der Erdoberfläche besitzt die Erdschwerebeschleunigung g einen mittleren Wert von 9.81 m/s2, variiert aber infogle der Zentrifugalkraft, der Erdabplattung und lokalen Variationen der Dichte regional um einige Promille.
Das Wort Erdbeschleunigung ist eine Altlast der Physik. Das korrekte Wort heisst Gravitationsfeldstärke g. Dementsprechend sollte man die Einheit von g mit Newton pro Kilogramm und nicht mit Meter pro Sekunde im Quadrat angeben.
Ursache dieser Fehlbezeichnung ist der Umstand, dass die Beschleunigung aller frei fallenden Körper (Bewegung unter der alleinigen Wirkung des Gravitationsfeldes) gleich der dort herrschenden Feldstärke ist. Schreibt man die Impulsbilanz bezüglich eines Körpers getrennt nach Impulsströme, Impulsquelle und Inhaltsänderungsrate auf
- [math]\sum_i\vec F_i+m\vec g=m\vec a[/math]
wird die Ursache für die Fehlbezeichnung erkennbar. Die Impulsbilanz weist neben den Impulsströme (Kräfte) die Impulsquelle (Gewichtskraft) als weiteren Einflussfaktor auf. Nun ist diese Quelle mathematisch gleich strukturiert wie die Änderungsrate des Impulsinhaltes
- die Gewichtskraft (Strärke der Impulsquelle) ist gleich (schwere) Masse mal Gravitationsfeldstärke
- die resultierende Kraft (Änderungsrate des Impulsinhaltes) ist gleich (träge) Masse mal Beschleunigung
Ortsabhängigkeit
Da die Erde keine Kugel sondern annähernd ein Ellipsoid ist und zudem rotiert, hängt die Erdschwerebeschleunigung von der geographischen Breite und zusätzlich von der Höhe über dem Meeresspiegel ab. An den Polen ist ein Körper dem Schwerpunkt näher als am Äquator, und zum Äquator hin macht sich zunehmend die aufgrund der Eigenrotation der Erde dem Schwerefeld der Erde entgegenwirkende Fliehkraft bemerkbar.
Die Normalschwere gN ist definiert als die mittlere Erdschwerebeschleunigung in Höhe des Meeresspiegels mit dem Wert:
- 9,78033 m/s2 am Äquator.
- 9,80620 m/s2 auf dem 45. Breitengrad.
- 9,83219 m/s2 an den Polen.
Sie lässt sich in Abhängigkeit von der Breite mit der Normalschwereformel berechnen.
Weitere Abweichungen, sogenannte Schwereanomalien, sind auf die Strukturen unterschiedlicher Dichte im Untergrund zurückzuführen. Aus der genauen Vermessung der Erdschwerebeschleunigung kann man deshalb Rückschlüsse auf Strukturen in der Erdkruste sowie deren Veränderungen ziehen.
Höhenabhängigkeit
In der Nähe der Erdoberfläche nimmt g um etwa 3,1 µm/s2 pro Meter ab. Für größere Höhen wird die Abnahme von g(r) mit dem Newtonschen Gravitationsgesetz abgeschätzt (siehe Diagramm).
In niedrigen Satellitenhöhen von 300 bis 400 km nimmt die Erdschwerebeschleunigung um 10 bis 15 % ab, in 5000 km (Lasersatellit LAGEOS) ca. 70 %. In großen Höhen wird sie keinesfalls null, sonst würden hochfliegende Satelliten geradlinig davonfliegen. Ihre Besonderheit ist der fortgesetzte freie Fall, der ohne Luftwiderstand nie auf die Erdoberfläche aufschlägt, weil er einer Keplerellipse folgt.
Feldtransformation
Die Stärke der Impulsquelle, die Gravitations- oder Gewichtskraft, kann nicht direkt gemessen werden. Deshalb ist die Stärke des Gravitationsfeldes vom Beobachter abhängt. Dies folgt schon aus der Impulsbilanz
- [math]\sum_i\vec F_i+m\vec g=m\vec a[/math]
Die beiden Terme links und rechts des Gleichheitszeichens sind je nach Beobachter verschieden gross. Wirken ausser dem Gewicht keine weiteren Kräfte auf den Körper ein, kürzt sich die Masse weg und die Beschleunigung ist gleich der herrschenden Gravitationsfeldstärke.