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Newtons Gravitationsgesetz

Jede Masse im Universum zieht jede andere Masse an. Die Anziehung zwischen zwei Punktmassen m₁ und m₂ im Abstand r ist F = G m₁ m₂ / r². Sie wirkt entlang der Verbindungslinie der beiden Körper. Beide Körper ziehen sich gegenseitig mit gleich großen, entgegengesetzten Kräften an. G = 6.67 × 10⁻¹¹ N m² kg⁻² ist überall gleich und heißt deshalb universelle Gravitationskonstante. Wenn viele Massen an einem Körper ziehen, addieren sich die Kräfte als Vektoren (Superposition).

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Zwei Kugeln, m₁ und m₂. Jeder rote Pfeil ist die Anziehungskraft der Gravitation. m₁ zieht m₂, und m₂ zieht m₁ genauso stark zurück. Gleich groß, entgegengesetzte Richtung.
  2. Jetzt wird m₁ doppelt so groß. Schau auf die Pfeile: Auch die Kraft wird doppelt so groß. Die Kraft wächst mit jeder Masse.
  3. Jetzt entfernen sich die Kugeln voneinander. Wenn der Abstand doppelt so groß wird, schrumpfen die Pfeile auf ein Viertel. Das ist das Abstandsgesetz, 1/r².
  4. Eine dritte Kugel m₃ kommt dazu. Sie zieht auch an m₁. Der violette Pfeil ist die Gesamtkraft, die du durch Addieren der beiden Kräfte als Vektoren bekommst.
  5. Ein Rechenbeispiel. Zwei Kinder mit je 50 kg sitzen 1 m voneinander entfernt. Drücke auf den Knopf, um ihre Anziehung Zeile für Zeile zu berechnen.
  6. Jetzt bist du dran. Ändere m₁, m₂ und r. Sieh in der Anzeige, wie sich F ändert.

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Wenn alles alles anzieht, warum rutschen meine Bücher dann nicht aufeinander zu?

Die Anziehung zwischen Büchern ist winzig (etwa 10⁻¹⁰ N). Die Reibung auf dem Tisch ist millionenfach größer, deshalb bewegt sich nichts.

Zieht ein schwererer Körper stärker, als er gezogen wird?

Nein. Beide spüren genau dieselbe Kraft, nur in entgegengesetzter Richtung. Der schwerere Körper wird nur weniger beschleunigt.

Warum das Quadrat des Abstands und nicht einfach der Abstand?

Die Wirkung einer Masse verteilt sich über eine Kugeloberfläche um sie herum. Die Fläche einer Kugel wächst mit r², also sinkt die Kraft auf jedes Stück mit 1/r². Sieh dir Schritt 3 an: r verdoppeln, F geviertelt.

Kann ich bei drei Massen einfach die Zahlen addieren?

Nur wenn alle Kräfte auf einer Linie liegen. Sonst addierst du sie als Vektoren, wie beim violetten Pfeil in Schritt 4.

Warum nehmen wir bei Planeten den Abstand der Mittelpunkte?

Eine gleichmäßige Kugel zieht Körper außerhalb so an, als säße ihre ganze Masse im Mittelpunkt. Darum ist r der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt.

Das Gesetz in einfachen Worten

Newton erkannte: Die Kraft, die einen Apfel nach unten zieht, und die Kraft, die den Mond auf seiner Bahn hält, sind dieselbe Art von Kraft. Er formulierte:

Jedes Teilchen Materie zieht jedes andere Teilchen mit einer Kraft an, die direkt proportional zum Produkt der Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands ist.

F = G m₁ m₂ / r²

In Vektorform ist die Kraft auf m₂ durch m₁ F₂₁ = −G m₁ m₂ r̂₁₂ / r². Das Minuszeichen zeigt, dass die Kraft zu m₁ hin zeigt: Gravitation zieht immer an.

Eigenschaften der Gravitationskraft

Die Konstante G und wie man sie gemessen hat

G = 6.67 × 10⁻¹¹ N m² kg⁻². Ihre Dimension ist [M⁻¹ L³ T⁻²].

G heißt universell, weil sie überall denselben Wert hat: auf der Erde, auf dem Mond, zwischen Galaxien. Sie ändert sich weder mit dem Medium noch mit den Körpern.

Henry Cavendish hat sie als Erster gemessen (1798), mit einer Drehwaage: zwei kleine Bleikugeln an einem leichten Stab, der an einem dünnen Draht hängt. Zwei große Bleikugeln wurden in ihre Nähe gebracht. Die winzige Anziehung drehte den Draht um einen kleinen Winkel. Weil er wusste, wie steif der Draht ist, konnte er die Kraft und daraus G berechnen.

Verwechsle G nicht mit g. G ist eine feste Naturkonstante. g ist die Fallbeschleunigung an einem Ort (etwa 9.8 m/s² auf der Erde) und ändert sich von Ort zu Ort.

Superposition: viele Massen gleichzeitig

Wenn mehrere Massen an einem Körper ziehen, berechne jede Kraft einzeln mit F = G m₁ m₂ / r², so als wären die anderen nicht da. Addiere sie dann als Vektoren:

F_ges = F₁ + F₂ + F₃ + …

Stehen zwei Kräfte senkrecht aufeinander, nimm Pythagoras: F_ges = √(F₁² + F₂²). Wirken sie in entgegengesetzte Richtungen, subtrahiere.

Große Kugeln und Hohlkugeln

Eine gleichmäßige Kugel zieht eine Masse außerhalb so an, als wäre ihre ganze Masse im Mittelpunkt. Darum nehmen wir bei Erde und Mond r = Abstand der Mittelpunkte. Eine gleichmäßige Hohlkugel übt auf eine Masse in ihrem Inneren keine Kraft aus: Die Kräfte von allen Seiten heben sich auf.

Probier es aus: das Abstandsgesetz spüren

Halte eine Taschenlampe 1 m vor eine Wand und markiere den hellen Fleck. Rücke sie auf 2 m weg. Der Fleck wird 2-mal so breit und 2-mal so hoch, also 4-mal so groß. Dasselbe Licht verteilt sich auf die 4-fache Fläche, jedes Stück bekommt also nur ein Viertel. Die Gravitation breitet sich im Raum genauso aus, deshalb gilt 1/r². Ziehe im 3D-Modell r von 1 m auf 2 m und prüfe, dass F auf ein Viertel sinkt.

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Berechne die Gravitationskraft zwischen zwei Kindern von je 50 kg, die 1 m voneinander entfernt sitzen.

F = 6.67 × 10⁻¹¹ × 50 × 50 / 1² = 1.67 × 10⁻⁷ N. Viel zu klein, um sie zu spüren.

2. Die Kraft zwischen zwei Massen beträgt 12 N. Wie groß ist sie, wenn der Abstand verdoppelt wird?

F ∝ 1/r². Neue Kraft = 12 / 2² = 3 N.

3. Die Kraft zwischen zwei Massen ist F. Eine Masse wird verdoppelt und der Abstand halbiert. Berechne die neue Kraft.

F' = G(2m₁)m₂/(r/2)² = 2 × 4 × F = 8F.

4. Berechne die Kraft zwischen Erde (6 × 10²⁴ kg) und Mond (7.4 × 10²² kg) bei einem Abstand von 3.84 × 10⁸ m.

F = 6.67 × 10⁻¹¹ × 6 × 10²⁴ × 7.4 × 10²² / (3.84 × 10⁸)². Zähler = 2.96 × 10³⁷; Nenner = 1.47 × 10¹⁷. F ≈ 2.0 × 10²⁰ N.

5. Berechne die Anziehung der Erde auf einen 60 kg schweren Schüler an der Erdoberfläche (M = 6 × 10²⁴ kg, R = 6.4 × 10⁶ m).

F = 6.67 × 10⁻¹¹ × 6 × 10²⁴ × 60 / (6.4 × 10⁶)² = 2.40 × 10¹⁶ / 4.1 × 10¹³ ≈ 586 N. Das ist das Gewicht des Schülers (≈ 60 × 9.8).

6. Drei gleiche Massen m sitzen an drei Ecken eines Quadrats der Seitenlänge a. Berechne die Gesamtkraft auf die Masse an der Ecke zwischen den beiden anderen (die Ecke mit dem rechten Winkel).

Jeder Nachbar zieht mit F = Gm²/a², die Kräfte stehen im Winkel von 90° zueinander. F_ges = √(F² + F²) = √2 Gm²/a², entlang der Diagonale.

7. Wo zwischen Erde und Mond (Abstand d, die Erde ist 81-mal schwerer) ist die Gesamtkraft auf einen Körper null?

Im Abstand x von der Erde: G(81M)/x² = GM/(d − x)². Also 9/x = 1/(d − x), 9d − 9x = x, x = 0.9 d von der Erde.

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. Die SI-Einheit von G ist:
2. Wenn der Abstand zwischen zwei Massen verdreifacht wird, wird die Kraft:
3. Die Gravitationskraft ist:
4. Die Erde zieht einen Stein mit 10 N an. Der Stein zieht die Erde mit:
5. Wer hat G als Erster im Labor gemessen?

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Wie lautet die Formel des Gravitationsgesetzes?

F = G m₁ m₂ / r², dabei ist G = 6.67 × 10⁻¹¹ N m² kg⁻².

Warum heißt G universelle Gravitationskonstante?

Weil ihr Wert überall im Universum gleich ist und weder von den Körpern noch vom Medium abhängt.

Was ist der Unterschied zwischen G und g?

G ist eine Naturkonstante (6.67 × 10⁻¹¹ N m² kg⁻²). g ist die Fallbeschleunigung an einem Ort (etwa 9.8 m/s² auf der Erde) und ändert sich mit Höhe, Tiefe und Ort.

Wo das unterrichtet wird

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ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªClassical physics
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RomaniaClasa a IX-aNewton's principles of mechanics and their applications
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