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Gravitation



Die Gravitation ist die Schwerkraft oder im Fall der Erde die Erdanziehung. Sie verursacht z.B. dass Gegenstände zu Boden fallen. Auch die Bahn der Erde um die Sonne wird durch die Gravitation bestimmt. Physikalische Objekte, die eine Masse besitzen, ziehen sich gegenseitig an. Die Stärke der Gravitation oder genauer der Gravitationskraft (F) ist dabei proportional zu den Massen beider Körper ( und ), einer Gravitationskonstanten () und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes () der Massenschwerpunkte.

Isaac Newton hat die Gesetzmäßigkeit dieses Phänomens mathematisch beschrieben. Die von ihm formulierte Newtonsche Gravitationstheorie war die erste physikalische Theorie, die sich in der Astronomie anwenden ließ, die Keplerschen Gesetze ableitete, Vorhersagen (etwa von Kometen) erlaubte und die Dynamik des Sonnensystems verständlich machte. Die Newtonsche Gravitationstheorie ist ein Grenzfall von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Letztere ist insbesondere in der Beschreibung des Universums in der Kosmologie wichtig, da auf großen Entfernungen die Gravitation als die alles dominierende Kraft gilt.

Falls die Gravitation eine Quantenfeldtheorie ist (Quantengravitation), sollte das Graviton, ein bislang noch nicht nachgewiesenes, hypothetisches Teilchen, existieren. Das Graviton hätte dann eine dem Photon der elektromagnetischen Wechselwirkung analoge Rolle.

Die Gravitationskraft ist eine berührungslose Wechselwirkung. Die Wechselwirkung wird mittels Kraftfeldern beschrieben. Beispielsweise wirkt die Anziehung zwischen Erde und Sonne durch das Vakuum. Darin gleicht sie der elektromagnetischen Wechselwirkung. Letztere ist aufgrund ihrer stärkeren Wechselwirkung schon im Kleinen leicht beobachtbar (Stabmagnet, Elektromotor, Atome, Moleküle).

Die Gravitation ist im Kleinen die schwächste der vier Grundkräfte der Physik. Sie dominiert aber auf große Entfernungen die Dynamik des Weltraums, da sie durch nichts abgeschirmt wird und sich die Gravitationswirkungen aller Massen aufsummieren.

Bei Newton ist die Gravitation eine Fernwirkungskraft. Das bedeutet, dass sich eine Änderung der Quelle instantan im gesamten Raum auswirkt (z.B., wenn jetzt die Sonne weggekickt würde, dann würde im selben Moment auch die Erdbahn geändert). Im Gegensatz dazu kann sich eine Änderung im elektromagnetischen Feld nur mit maximal Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, es handelt sich hier um eine Nahwirkungskraft.

In der Speziellen Relativitätstheorie würde jedoch eine instantane Ausbreitung wegen der Relativität der Gleichzeitigkeit zu Problemen führen. Diese Unvereinbarkeit veranlasste Albert Einstein dazu, seine Allgemeine Relativitätstheorie zu formulieren, in der die Gravitation durch Krümmungen der Raumzeit hervorgerufen wird, welche sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.

Die Gravitationskraft zwischen zwei Punktmassen berechnet sich in der Newtonschen Theorie nach

wobei

F die Gravitationskraft zwischen beiden Punktmassen,
γ = 6,67259 10-11 m3 kg-1 s-2 die Gravitationskonstante,
m1 die Masse der ersten Punktmasse,
m2 die Masse der zweiten Punktmasse und
r der Abstand zwischen beiden Punkten ist.

Die Gravitation an einem Punkt einer sphärisch symmetrischen (kugelförmigen) Massenverteilung im Abstand r von ihrem Schwerpunkt ist stets so groß wie die Gravitation einer Punktmasse in diesem Schwerpunkt, deren Masse gerade der Teil der Gesamtmasse entspricht, der sich innerhalb der Kugel mit dem Radius r befindet. Innerhalb einer homogenen Kugel bedeutet das, dass die Gravitationskraft proportional zum Abstand vom Mittelpunkt ist.

Die Gravitation einer homogenen Kugel im Vakuum ist daher an ihrer Oberfläche am größten. Das gilt auch für die Erde.

siehe auch: Levitation, Antigravitation, Keplerparabel, Wurfparabel

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