Planeten
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Physik Planeten und Gravitation Ein Planet ist ein Objekt /Körper mit einer gewissen Masse und von bestimmter Grösse (mindestens 2000 km Durchmesser), der um einen Stern kreist. Zurzeit sind rund 120 Planeten bekannt. Neun von ihnen kreisen um unsere Sonne und bilden das Sonnensystem. Die Gravitation ist eine der vier so genannt "fundamentalen" Naturkräfte. Die Gravitation ist eine kleine Kraft und wirkt zwischen Teilchen aller Art, die über Masse verfügen. Die Gravitation wird manchmal auch als "Schwerkraft" bezeichnet. Eine "Gravitationsquelle", also eine Masse, ruft in ihrem Umfeld ein so genanntes Gravitationsfeld hervor. Man weiss immer noch nicht genau was Gravitation wirklich ist - wir kennen nur ihre Auswirkungen im Universum. DIE GRAVITATION Galilei – Kepler – Newton Galilei hatte ausgesprochen, dass ein einmal angetriebener Körper sich unbeschleunigt fortbewege; eine Änderung des Bewegungszustandes ergebe sich nur, wenn eine neue Kraft einwirke. Die Anziehungskraft der Sonne schien die Planeten auf ihrer Bahn zu führen; eine entgegenwirkende Fliehkraft schien zu verhindern, dass sie gegen die Sonne stürzen. Kepler folgerte in seinen Gesetzen, dass die Umlaufzeiten der Planeten mit ihren Sonnenabständen in Beziehung sind: Abb. 1 Isaac Newton "Hieraus weiter schließend, verglich ich die Kraft, die nötig ist, um den Mond in seiner Bahn zu halten, mit der Schwerkraft auf der Erdoberfläche und fand, dass sie fast genau gleich sind." Isaac Newton, am 4. Januar 1643 in Woolsthorpe geboren und am 31.März 1727 in Kensington gestorben, soll angeblich unter einem Apfelbaum gesessen haben, als in seiner Nähe ein Apfel zu Boden fiel. Dies brachte ihn auf den Gedanken, dass die Kraft, die den Apfel zum Boden zog, dieselbe Kraft ist, die den Mond auf seiner Bahn um die Erde festhält. Die Erde (und die anderen Planeten) bewegt sich also nicht in einer Kreisbahn um die Sonne sondern in einer Ellipse. Was meinst du, bewegt sich die Erde im Bogen in der Nähe der Sonne schneller oder langsamer? Wie lange dauert eine Umkreisung der Sonne? Haben die anderen Planeten die gleiche Umlaufzeit? Wie lange dauert dies beim Mond um die Erde? Tobias Obrist, Matte 7. 4312 Magden, +41 61 841 2386, [email protected] Physik Abb. 2 Der Mond bewegt sich durch den Raum. Wirkten keine Kräfte auf ihn, würde er sich auf einer geraden Bahn fortbewegen. Tatsächlich aber kreist er um die Erde. Es muss also eine von der Erde ausgeübte Kraft geben, die den Mond anzieht und auf seiner Umlaufbahn hält. Diese Kraft kann nur die Erdanziehungskraft, die Gravitation, sein. Newton vermutete also, dass die Anziehung, die das Fallen der Körper bewirkt, bis zum Mond reiche und ihn ständig von der geradlinigen Bewegung ablenke. Abb. 3 Newton erkannte, dass nicht allein die Erde Gravitation ausübt, sondern jeder Körper im Universum. Die Anziehungskraft der Sonne hält die Planeten des Sonnensystems auf ihren Bahnen. Die Gravitation verbindet Sterne zu Galaxien, Galaxien zu Galaxiehaufen und diese wiederum zu Galaxiesuperhaufen. Die Gravitation hält das ganze Universum zusammen. Zusammenfassung Das Gravitationsgesetz sagt: - Je grösser der Abstand (d) der beiden Körper, desto geringer die Anziehungskraft (G): Wenn sich d verdoppelt, dann wird G im Quadrat kleiner. Bsp: Zwei Körper werden mit 16N angezogen. Der Abstand der beiden Körper wird verdoppelt, die Anziehungskraft ist jetzt nur noch 4N (Berechnung: Wurzel aus 16). - Je grösser die Masse des Körpers, desto stärker die Anziehungskraft. Bsp: Das heisst, wenn die Masse der Erde 10% grösser wäre, dann würden wir alle 10% mehr wiegen. Kannst du dir vorstellen was passieren würde, wenn die Masse der Sonne kleiner oder grösser würde? Überlege dir das mit der Abb. 2. Tobias Obrist, Matte 7. 4312 Magden, +41 61 841 2386, [email protected] Physik DIE PLANETEN SONNE – Merkur – Venus – Erde – Mars – Jupiter – Saturn – Uranus – Neptun – Pluto Das Sonnensystem entstand nach heutigem Wissensstand vor rund 4,5 Milliarden Jahren aus einer rotierenden Scheibe aus Gas und Staub. Kollisionen zwischen diesen Teilchen führten schliesslich zur Zusammenballung des Staubs und zur Bildung von immer grösseren Trümmern, aus denen in einem langsamen Prozess schliesslich die Planeten hervor gingen. Die Asteroiden zwischen Mars und Jupiter sind nicht die Überreste eines einst existierenden Planeten, sondern sind "Baumaterial" der Planeten, das aus der Anfangszeit des Sonnensystems stammt und sich nie (oder nur teilweise) zu einem weiteren Planeten zwischen Mars und Jupiter zusammengeballt hat. Insgesamt haben alle Asteroiden nicht einmal die Masse des Erdmondes. Aussen an die beiden Eisriesen Uranus und Neptun schliesst sich ein weiterer Asteroidengürtel, dessen Objekte aber zu einem grossen Teil aus Wassereis bestehen dürften. Das grösste ist der "Planet" Pluto. Angesichts der Entdeckungen der letzen Jahre scheint es nur noch eine Frage der Zeit, bis hier ein Objekt entdeckt wird, das die Grösse von Pluto (oder mehr) hat. Das Sonnensystem dehnt sich noch viel weiter aus - eine Wolke aus Milliarden von eisigen Objekten gehören auch zu unserem Sonnesystem. Manchmal sehen wir sie als Kometen. Neuste Forschungen vom Mars zeigen, dass es dort einst Wasser gab. Wie ist es wohl dazu gekommen, dass dies heute nicht mehr der Fall ist? Das Licht der Sonne braucht 8 Minuten. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt 300 km/sec. Wie weit ist die Sonne von der Erde entfernt? Falls der Sonne das Licht ausgehen würde, wie lange würde das dauern bis wir es hier merken? Wie lange dauert es, bis das Licht der Sonne den Planeten Pluto erreicht? Tobias Obrist, Matte 7. 4312 Magden, +41 61 841 2386, [email protected] Physik Radius, Masse und Abstand von der Sonne Name umkreist Abstand km Radius km verglichen mit Erde Masse kg verglichen mit Erde 0 697000 109mal + 1,99·1030 300'000mal + 778000 1429000 2870990 4504300 149600 108200 227940 57910 384 5913520 71492 60268 25559 24764 6378 6052 3398 2439 1738 1160 11mal + 9.5mal + 4mal + 4mal + 1+ = 2mal – 2mal – 4mal – 8mal – 1,90·1027 5,69·1026 8,69·1025 1,02·1026 5,98·1024 4,87·1024 6,42·1023 3,30·1023 7,35·1022 1,32·1022 300mal + 100mal + 150mal + 17mal + 1 = 10mal – 20mal – 80mal – 500mal – Sonne Jupiter Saturn Uranus Neptun Erde Venus Mars Merkur Mond Pluto Sonne Sonne Sonne Sonne Sonne Sonne Sonne Sonne Erde Sonne Wenn wir nun berechnen möchten, wie schwer wir beispielsweise auf dem Mond oder auf einem Planeten wären, dann brauchen wir dazu die Grösse des Planeten und seine Masse. Es spielt also eine Rolle, wie weit weg wir vom Mittelpunkt des Planeten stehen – je grösser ein Planet desto leichter sind wir (auf der Erde sind wir auf Meereshöhe schwerer als auf dem Mount Everest) – und wie massig der Planet selber ist – je massiger, desto stärker zieht er uns an. Bsp: Die Masse des Jupiters ist 300mal so gross wie die Masse der Erde. Man könnte also annehmen, dass ein Mensch auf der Jupiteroberfläche 300mal schwerer wäre. Der Radius des Jupiters ist aber 11mal grösser als derjenige der Erde. Wir müssen rechnen: Masse im Vergleich zur Erde : (Radius im Vergleich zur Erde)2 Für Jupiter heisst das also: 300 : (11)2 = 300 : 121 = 2.48 Meine Waage würde auf dem Jupiter also 75 x 2.48 = 186 kg anzeigen. Wie schwer wärest du auf dem Uranus (9 mal schwerer), auf dem Saturn (~gleich), auf dem Merkur (5 mal leichter), auf dem Pluto (8 mal leichter) oder dem Mond (5 bis 6 mal leichter) ? Hast du noch Fragen? Stelle sie deinen Kolleginnen und Kollegen. Hat dich das Thema neugierig gemacht? Vielleicht findest du Antworten oder weitere Fragen im Internet, zB. auf der Site www.blue-cosmos.de . Tobias Obrist, Matte 7. 4312 Magden, +41 61 841 2386, [email protected]
