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Gravitationsgesetz

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Gravitationsgesetz

Du hast Dir vielleicht auch schon einmal vorgestellt wie unglaublich es wäre, wenn Du einen Stift oder Ähnliches mit der Kraft Deiner Gedanken bewegen könntest. In der Realität ist dies leider nicht möglich. Aber wusstest Du, dass Du Deinen Stift oder die Person, die im Unterricht neben Dir sitzt, dennoch anziehen kannst? Es ist nicht die Kraft Deiner Gedanken, der Du diese Anziehung zu verdanken hast, sondern der Gewichtskraft, die Kraft Deiner Masse. Wie die Wirkung der Gravitationskraft erfahrbar ist, erfährst Du genauer in dieser Erklärung.

Das Newtonsche Gravitationsgesetz einfach erklärt

Das Newtonsche Gravitationsgesetz besagt, dass alle Körper mit einer Masse in Kraftwirkung zueinander stehen. Die Körper werden dabei mit der selben Kraft gegenseitig angezogen. Die Kraftwirkung geht dabei vom Massepunkt der Körper aus.

Ein Massenpunkt ist in der Physik die Idealisierung eines realen Körpers, bei dem Du dir vorstellen kannst, dass die gesamte Masse in einem Schwerpunkt konzentriert ist. Die gesamte Masse ist damit nicht auf das Volumen, sondern auf einen Punkt im Körper konzentriert. Das entspricht allerdings nicht der Realität, wird aber dennoch für die Vereinfachung verwendet.

Schau dir nun einmal an, wie Du die Kräftewirkung veranschaulichen kannst:

Die zwei Kugeln mit den Massen m1 und m2 ziehen einander an. Auf sie wirkt die sogenannte Gravitationskraft, welche von Newton entdeckt wurde. Anhand der Kraftpfeile kannst Du erkennen, dass auf beide Körper die gleiche Kraft wirkt. Der Effekt der Kräfte, auf den jeweiligen Körper, ist allerdings unterschiedlich, weil beide Körper ein unterschiedliches Gewicht besitzen. Diese Kraft wirkt zwischen allen Körpern mit einer Masse, egal ob es ein kleiner Brotkrümel ist oder ein ganzer Stern. Alles zieht sich gegenseitig an. Schau Dir nun die Definition für diese Gravitationskraft an.

Gravitationsgesetz Definition

Im Jahr 1687 stellte Isaac Newton die Erklärung von der erfahrbaren Schwerkraft auf der Erde und den beobachtbaren Planetenbahnen in seinem Werk "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" vor und schuf damit die Grundlage für die klassische Mechanik.

Das Newtonsche Gravitationsgesetz besagt, dass alle Körper mit einer Masse, auf andere Körper, eine anziehende Gravitationskraft ausübt. Die Anziehungskraft ist dabei abhängig von der Masse beider Körper und ihrer Distanz zueinander.

Durch die Newtonsche Gravitationsgesetze konnten viele bis dahin offene Fragen zu Planetenbahnen um die Sonne oder der Einfluss unseres Mondes auf die Gezeiten der Ozeane und Meere auf der Erde bestimmt werden.

Jetzt kannst Du dir die von Newton aufgestellte Formel zur Gravitationskraft anschauen.

Gravitationsgesetz Herleitung und Formel

Wie zuvor festgestellt, ist die Gravitationskraft abhängig von den Massen der anziehenden Körper, und der Distanz dieser zueinander.

Das Newtonsche Gravitationsgesetz besagt, dass die Formel für die Berechnung der Gravitationskraft FG wie folgt lautet:

Newtonsches Gravitationsgesetz Gravitationskraft Formel StudySmarter

G: Gravitationskonstante

m: Masse der Körper 1 und 2

r: Distanz der beiden Massepunkte zueinander

Die Gravitationskonstante G oder auch (Gamma) ist eine Naturkonstante, die die Stärke der Gravitation bestimmt. Sie beträgt

Doch wie wird diese Formel hergeleitet?

Herleitung der Gravitationskraft

Vielleicht hast Du schon einmal von der Geschichte gehört, wie Newton die Schwerkraft entdeckt haben soll. Er saß unter einem Apfelbaum und ihm ist ein Apfel auf den Kopf gefallen. Erstmal nichts besonderes, doch Newton kam auf die Idee, dass die Kraft, die den Apfel auf die Erde fallen lässt und diesen anzieht, dieselbe sein könnte wie die Kraft, die den Mond auf seiner Erdumlaufbahn hält.

Die Distanz beider Punkte voneinander wird von den Massepunkten der Körper gemessen. von diesem Punkt geht auch die Anziehungskraft der Körper aus.

Aus den Erkenntnissen von ihm und anderen Forschenden vor ihm gelang es Newton, den Zusammenhang zwischen all diesen zu einer Gesetzmäßigkeit für die Gravitationskraft zusammenzuschließen.

Er selbst hatte den Satz für die Normalkraft FN aufgestellt. Masse mal Beschleunigung.

Außerdem wusste er aus dem 3. Keplerschen Gesetz, dass für Umlaufbahnen um ein Zentralkörper eine Konstante, die sogenannte Kepler-Konstante gebildet werden kann. Die Konstante wird gebildet aus der Umlaufdauer T und der Distanz r der beiden Massepunkte.

Außerdem kennt er noch die Formel für die Zentrifugalkraft:

Für Kreisbewegungen ist außerdem die Formel für die Bahngeschwindigkeit v in Abhängigkeit von der Umlaufdauer T bekannt.

Für den Ansatz setzte Newton die Normalkraft, die auf einen Körper auf der Erde wirkt, gleich mit der Zentripetalkraft, die für die Umlaufbahn des Mondes sorgt. FN=FZP

Die Masse lässt sich auf beiden Seiten kürzen. Übrig bleibt , wo Du die Bahngeschwindigkeit v einsetzen kannst. Dazu nehmen wir die Formel für die Bahngeschwindigkeit und rechnen diese hoch 2, also quadrieren.

Die Umlaufdauer T2 kannst Du ebenfalls vereinfachen, mithilfe der Formel für die Keplersche Konstante.

Du stellst die Formel im nächsten Schritt nach T2 um, weil das auch so in der vorhergehenden Formel gebraucht wird und setzt das Ganze in die Formel für die Bahngeschwindigkeit wieder ein.

Hier kannst Du die Distanzen r kürzen und erhältst und können dies in die Formel von ganz am Anfang einfügen.

Diese Formel für die Beschleunigung kann wiederum in zwei Teile aufgeteilt werden, um eine Konstante und einen Teil in Abhängigkeit von r zu erhalten.

und die Konstante C sind alle konstant, weshalb dieser Teil der Gleichung zusammengefasst werden kann in . Dieser Wert ist konstant und wird Gravitationskonstante genannt. Der zweite Teil der Gleichung weist eine Proportionalität zur Beschleunigung auf.

Die Proportionalität der Beschleunigung a lässt sich nun auch auf die Gravitationskraft FG übertragen.

Es gilt daher:

Außerdem stellst Du fest, dass die Kraft auch proportional zur Masse ist, wie bei der Normalkraft. Das gilt für die Masse beider sich anziehender Körper.

und

Wenn Du diese drei Proportionalitäten miteinander verknüpfst und die Gravitationskonstante einfügst, erhältst Du die Formel für die Gravitationskraft.

Anhand dieser Herleitung hast Du nun erfahren, woher der Zusammenhang von der Erdanziehungskraft und den Umlaufbahnen von Himmelskörpern kommt. Daraus kannst Du auch schließen, dass das Newton´sche Gravitationsgesetz relevant ist für die Astronomie.

Gravitationsgesetz in der Astronomie

Anhand der Herleitung kannst Du festhalten, dass die Newtonsche Gravitationskraft relevant für die Umlaufbahnen von Himmelskörpern um Zentralkörper ist. Daher ist das Newtonsche Gravitationsgesetz auch relevant für die Astronomie.

Satellitenbahnen, Planetenbahnen und auch Kometen- und Meteoritenbahnen können mithilfe des Gravitationsgesetzes bestimmt werden. Dabei wirkt die Gravitationskraft auf alle Himmelskörper, allerdings unterschiedlich stark und alle werden untereinander auch angezogen. Die Erde wird von der Sonne angezogen und auf der Umlaufbahn gehalten und der Mond wiederum kreist um die Erde und wird von dieser auf der Bahn gehalten.

Bei einer Sonnenfinsternis stehen Sonne, Mond und Erde in einer Reihe. Neben der Verdeckung der Sonne, weil sich der Mond vor die Sonne schiebt, geschieht noch ein weiteres Ereignis. Es kommt zu einer leichten Bahnstörung. Die Sonne und die Erde ziehen von unterschiedlichen Seiten am Mond. Die Sonne ist zwar deutlich größer und schwerer als die Erde, dafür aber auch weiter entfernt. Der Einfluss der Erde bleibt größer als der Einfluss der Sonne. Dennoch lässt sich ein leichter Wobble-Effekt beobachten. Darunter versteht man, dass der Mond leicht von seiner ursprünglichen Umlaufbahn gebracht wird. Das hat allerdings keinen langfristigen Effekt, da dieser Effekt auch nur minimal ist.

Die Gravitationskraft nimmt mit zunehmender Distanz exponentiell ab. Das bedeutet, dass je weiter sich die anziehenden Körper voneinander befinden, desto kleiner ist die Gravitationskraft.

Die Gravitationskraft verhält sich antiproportional zur Distanz der beiden anziehenden Körper.

FG: Gravitationskraft

r: Abstand der Massepunkte

Schau dir diesen Zusammenhang nun anhand eines Diagrammes an.

Newtonsches Gravitationsgesetz Abhängigkeit der Kraft von Distanz StudySmarterAbbildung 3: Verhältnis von Gravitationskraft zur Distanz

Wie Du am Diagramm in Abbildung 4 erkennen kannst, nimmt die Gravitationskraft FG mit zunehmender Distanz r exponentiell ab. Das bedeutet vereinfacht gesagt, dass unsere Sonne den nächsten Stern, welcher mehrere Lichtjahre von uns entfernt ist, zwar noch anzieht, die Anziehungskraft aber quasi 0 beträgt.

Gravitationsgesetz Beispiel

Schau dir zum Abschluss noch eine Aufgabe zum Newtonschen Gravitationsgesetz an.

Aufgabe

Die Erde und der Mond sind 359.000 Kilometer voneinander entfernt. Wie groß ist die Newtonsche Gravitationskraft zwischen den beiden Himmelskörpern?

Die Masse der Erde beträgt und die Masse des Mondes beträgt .

Lösung

Um die Aufgabe zu lösen, verwendest Du das Newtonsche Gravitationsgesetz.

In diese Formel setzt Du nun Deine Werte ein.

Wenn Du jetzt diese Rechnung in Deinen Taschenrechner eintippst, erhältst Du folgendes Ergebnis.

Die Erde und der Mond wirken mit einer Gravitationskraft von 83,5 Meganewton aufeinander.

Newton'sches Gravitationsgesetz - Das Wichtigste

  • Das Newtonsche Gravitationsgesetz besagt, dass alle Körper eine anziehende Gravitationskraft auf andere Körper bewirken
  • Die Gravitationskraft wirkt auf alle Körper mit einer Masse größer 0
  • Das Gravitationsgesetz gilt als eine der Grundlagen für die klassische Mechanik
  • Die Größe der Gravitationskraft ist abhängig von der Masse der Körper und der Distanz beider Massepunkte
  • Die von Newton aufgestellte Formel für die Gravitationskraft lautet:

  • Die Gravitationskraft ist proportional zur Masse der beiden anziehenden Körper, das bedeutet bei doppelter Masse, doppelte Gravitationskraft
  • Die Gravitationskraft nimmt allerdings auch exponentiell mit der Distanz der beiden Körper ab, durch die Proportionalität von

  • Das Newtonsche Gravitationsgesetz ist eine der Grundlagen für das Verständnis von Umlaufbahnen von Planeten und anderen Himmelskörpern
  • Bahnstörungen können auftreten, wenn verschiedene Gravitationskräfte auf einmal auf einen Körper wirken

Häufig gestellte Fragen zum Thema Gravitationsgesetz

Gravitation ist die gegenseitige Anziehungskraft von zwei Körpern mit Massen größer 0.

Das Gravitationsgesetz wird verwendet um die gegenseitige Anziehung von Körpern zu berechnen.

Das Gravitationsgesetz ist die Erklärung dafür, warum die Menschen von der Erde angezogen werden oder auch warum der Mond die Erde und die Erde die Sonne umkreist.

Mit dem Gravitationsgesetz nach Newton, können wir die Gravitations- oder auch Anziehungskraft berechnen.

Finales Gravitationsgesetz Quiz

Frage

Was versteht man unter dem Newton'schen Gravitationsgesetz? 

Antwort anzeigen

Antwort

Das Newton´sche Gravitationsgesetz ist ein physikalisches Gesetz der klassischen Physik. Es besagt, dass jeder Massenpunkt auf jeden anderen Massenpunkt mit einer anziehenden Gravitationskraft einwirkt. 

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Frage

Wer stellte das Newton'sche Gravitationsgesetz auf und in welchem Jahr?

Antwort anzeigen

Antwort

Isaac Newton stellte das Gravitationsgesetz im Jahr 1687 auf. 

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Frage

Welche weiteren Axiome stellte Isaac Newton neben dem Gravitationsgesetz auf? 

Antwort anzeigen

Antwort

Er stellte das Trägheitsgesetz, das Kraftgesetz und das Wechselwirkungsgesetz auf. 

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Frage

Wofür liefert das Newton'sche Gravitationsgesetz eine Erklärung? 

Antwort anzeigen

Antwort

 Das Newton'sche Gravitationsgesetz liefert eine Erklärung für die Schwerkraft der Erde, für den Mondumlauf, für die Planetenbewegungen, für die Gezeiten und die Bahnstörungen des Mondes und der Planeten. 

Frage anzeigen

Frage

Wie kam Isaac Newton die Idee für das Gravitationsgesetz?

Antwort anzeigen

Antwort

Isaac Newton kam die Idee beim Beobachten eines vom Baum fallenden Apfels. 

Frage anzeigen

Frage

Wie können Gravitationskräfte definiert werden?

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Antwort

Als Gravitationskräfte bezeichnet man diejenigen Kräfte, die Körper aufgrund ihrer Massen aufeinander ausüben. Zwei Körper üben also aufeinander anziehende Kräfte aus. 

Frage anzeigen

Frage

Wodurch zeichnen sich Gravitationskräfte zweier Körper aus? 

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Antwort

Die Richtung der Gravitationskräfte zweier Körper verläuft auf der Verbindungslinie der Schwerpunkte der beiden Körper und sind wegen des Wechselwirkungsgesetzes entgegengesetzt. Sie haben den gleichen Betrag, der proportional zu den Massen der Körper ist, und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes r ihrer beiden Schwerpunkte. 

Frage anzeigen

Frage

Wie lautet die Formel zur Berechnung der Gravitationskraft? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Formel zur Berechnung der Gravitationskraft lautet : F= G x m1xm2 / r² 

Frage anzeigen

Frage

Für was steht der in der Formel für die Gravitationskraft vorkommende Buchstabe G?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Buchstabe G steht für die Gravitationskonstante.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Gravitationskonstante? 

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Antwort

Die Gravitationskonstante ist eine universelle Naturkonstante, die die Stärke der Gravitation bestimmt.

Frage anzeigen

Frage

Welchen Wert hat die Gravitationskonstante? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Gravitationskonstante hat den Wert G=6,67390⋅10 hoch −11 m³/kg⋅s²

Frage anzeigen

Frage

Mit welchen Formeln kann die Gravitationsbeschleunigung errechnet werden? 

Antwort anzeigen

Antwort

Formel 1: a=F/m


Formel 2: a= GxM / r²

Frage anzeigen

Frage

Für welche Gravitationsfelder gilt das Newton'sche Gravitationsgesetz?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Newton'sche Gravitationsgesetz gilt für schwache und zeitunabhängige Gravitationsfelder.

Frage anzeigen

Frage

Welche Theorie verwendet man für sehr starke Gravitationsfelder?

Antwort anzeigen

Antwort

Für sehr starke Gravitationsfelder verwendet man die Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein. 

Frage anzeigen

Frage

Worin liegen die Grenzen des Newton'schen Gravitationsgesetzes? 


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Antwort

Das Newton'sche Gravitationsgesetz gibt weder die Ursache für die Gravitationskraft an, noch erklärt es, wie die Gravitation über die Entfernung wirken kann. 

Frage anzeigen

Frage

Wie wird in der Physik ein Massenpunkt definiert?

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Massenpunkt ist die Idealisierung eines realen Körpers, bei dem man sich vorstellt, dass seine Masse in seinem Schwerpunkt konzentriert ist. 

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