Gravitationsfelder

Veranschaulichung von Gravitationsfeldern

Veranschaulichen kann man sich ein Gravitationsfeld ähnlich wie ein elektrisches oder ein magnetisches Feld durch ein Feldlinienbild (Bild 1). Betrachtet man einen isolierten Körper, z.B. einen Planeten, so ist das Gravitationsfeld eines solches Körpers näherungsweise ein Radialfeld. Befindet sich ein anderer Körper im Gravitationsfeld, so wird auf ihn eine Gravitationskraft in Richtung des Massenmittelpunktes des felderzeugenden Körpers ausgeübt. Der Betrag der Kraft ergibt sich aus dem Gravitationsgesetz. Die Richtung der Kraft wird auch als Richtung der Feldlinien des Gravitationsfeldes vereinbart.

Eine zweite Möglichkeit der Veranschaulichung besteht darin, statt der Feldlinien Linien gleichen Potenzials, sogenannte Äquipotenziallinien, zu zeichnen (Bild 1). Das sind Linien, auf denen ein Körper ein bestimmtes Potenzial bzw. eine bestimmte potenzielle Energie hat. Die Äquipotenziallinien stehen senkrecht auf den Feldlinien, bilden also um einen kugelförmigen Körper in der ebenen Darstellung Kreise und in der räumlichen Darstellung Kugelschalen (Äquipotenzialflächen).

Quantitative Beschreibung von Gravitationsfeldern

Die quantitative Beschreibung eines Gravitationsfeldes kann mithilfe der Gravitationsfeldstärke erfolgen.

Die Gravitationsfeldstärke gibt an, wie groß die Gravitationskraft auf einen Probekörper im Gravitationsfeld ist.
Formelzeichen: g
Einheit: ein Newton durch Kilogramm $\left(1\frac{\text{N}}{\text{kg}}=1\frac{\text{m}}{{\text{s}}^{\text{2}}}\right)$
Beträgt die Masse des felderzeugenden Körpers M und die des Probekörpers im Gravitationsfeld m, so kann die Gravitationsfeldstärke berechnet werden mit der Gleichung:

$\begin{array}{l}g=\frac{F}{m}\\ \text{Setzt man für die Kraft}F=G\frac{m\cdot M}{r^2}\text{(Gravitationsgesetz)}\text{,}\\ \text{so erhält man für die Gravitationsfeldstärke:}\\ g=\frac{G\frac{m\cdot M}{r^2}}{m}\\ g=G\frac{M}{r^2}\end{array}$
Für die Erde wird die Gravitationsfeldstärke g auch als Ortsfaktor oder als Fallbeschleunigung (bei der Erde auch als Erdbeschleunigung) bezeichnet. Aus der zuletzt genannten Gleichung ist erkennbar, dass die Gravitationsfeldstärke von der Masse des felderzeugenden Körpers und vom Abstand von diesem Körper abhängig ist. Die zuletzt genannte Abhängigkeit ist in Bild 2 dargestellt. Bereits in einer Entfernung von
$\sqrt{2}\cdot r_M$
beträgt die Gravitationsfeldstärke nur noch die Hälfte des Wertes, den die auf der Oberfläche des felderzeugenden Körpers hat. In sehr großer Entfernung vom felderzeugenden Körper wird die Gravitationsfeldstärke vernachlässigbar klein, erreicht aber nicht den Wert null.

Ausbreitung von Gravitationswirkungen

Es war lange Zeit unklar, wie sich Gravitationswirkungen durch den Raum hindurch ausbreiten. Die Fernwirkungstheorie geht davon aus, dass sich Gravitationswirkungen durch den Raum hindurch mit unendlich großer Geschwindigkeit ausbreiten, die Wirkungen also unmittelbar zwischen Körpers auftreten. Im Unterschied dazu geht die Nahwirkungstheorie davon aus, dass sich ein Körper im Gravitationsfeld eines anderen befindet und der Körper durch das Feld, in dem er sich befindet, beeinflusst wird. Durchgesetzt hat sich die Nahwirkungstheorie oder Feldtheorie, bei der davon ausgegangen wird, dass sich Gravitationswirkungen im Feld mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Das ist eine wesentliche Erkenntnis der allgemeinen Relativitätstheorie von ALBERT EINSTEIN (1879-1955). Die von ihm vorhergesagten Gravitationswellen konnten bisher nur indirekt bei einem Doppel-Pulsar nachgewiesen werden. Pulsare sind Neutronensterne mit starker Radiostrahlung und wurden erst 1967 entdeckt.