Schwerelosigkeit

Unter Schwerelosigkeit oder Gewichtslosigkeit versteht man die Erscheinung, dass z. B. Körper in einer Raumstation, die die Erde umkreist, keine Kraft auf eine Unterlage oder eine Aufhängung ausüben. Die Summe der Kräfte auf diese Körper ist null. Damit schweben sie in dem betreffenden Raum.
Ursache für die Schwerelosigkeit ist nicht die kleinere Gewichtskraft in größerer Erdentfernung - in 250 km Höhe über der Erdoberfläche beträgt die Gewichtskraft noch etwa 90 % des Wertes auf der Erdoberfläche - sondern das Zusammenwirken verschiedener Kräfte.

Schwerelosigkeit in einer Raumstation

Betrachtung im mitbewegten Bezugssystem

Wir betrachten die Verhältnisse von einer Raumstation aus (Bild 2), bewegen uns also mit den Körpern mit, die wir betrachten. Auf jeden Körper in der Raumstation und auch auf die Raumstation selbst wirkt die Gewichtskraft FG in Richtung Erdmittelpunkt. Daneben wirkt auf jeden Körper aufgrund der Kreisbewegung um den Erdmittelpunkt eine gleich große, entgegengesetzt gerichtete Kraft, die als Fliehkraft oder Zentrifugalkraft FZ bezeichnet wird. Sie wird nach derselben Gleichung wie die Radialkraft berechnet. Die Summe aus diesen beiden Kräften ist null. Damit ist die Gesamtkraft auf jeden Körper in der Raumstation und auch auf die Raumstation selbst null. Die Körper sind schwerelos oder, wie man auch sagt, gewichtslos. Sie schweben in der Raumstation, besitzen aber noch dieselbe Masse und dieselbe Trägheit wie auf der Erdoberfläche. Insofern ist die Bezeichnung "gewichtslos" dem physikalischen Sachverhalt besser angepasst. Durchgesetzt hat sich aber die traditionelle Bezeichnung "schwerelos".

Kräfte auf Körper in einer Raumstation

Betrachtung im ruhenden Bezugssystem

Man kann den Sachverhalt auch als Beobachter außerhalb einer Raumstation, also z.B. von der Erdoberfläche aus, beschreiben.
Die Raumstation bewegt sich tangential mit der Geschwindigkeit v0. Gleichzeitig fällt die Raumstation und alle Körper in ihr im freien Fall in Richtung Erde (Bild 3). Als resultierende Bewegung ergibt sich eine Kreisbewegung um die Erde herum. Auch alle Körper in der Raumstation fallen und mit ihnen die Raumstation als ihr Bezugssystem. Deshalb üben sie mit ihrer tatsächlichen Gewichtskraft keine Kraft mehr auf eine Unterlage oder eine Aufhängung aus, da diese ebenfalls frei fallen. Die Körper in der Raumstation scheinen zu schweben.

Schwerelosigkeit auf der Erde

Auf der Erde kann man Schwerelosigkeit nur kurzzeitig oder nur näherungsweise erreichen, z.B. beim Flug eines Flugzeuges auf einer parabelförmigen Bahn abwärts oder unter Wasser. Beide Möglichkeiten werden beim Training von Astronauten genutzt.
Schwerelosigkeit tritt auch bei frei fallenden Körpern auf. Das kann man experimentell einfach nachweisen. Legt man auf ein Brett ein Blatt Papier und auf dieses Papier einen Ziegelstein, so kann man das Papier nicht hervorziehen. Lässt man aber die gesamte Anordnung frei fallen, so bereitet das Wegziehen des Papiers keine Probleme, weil der frei fallende Stein auf das frei fallende Blatt Papier keine Kraft mehr ausübt.
Untersuchungen zum Verhalten von Körpern bei Schwerelosigkeit kann man also bei frei fallenden Körpern durchführen. Das wird auch genutzt, z. B. in einem Fallturm in Bremen, in dem unter den Bedingungen des freien Falls und damit der Schwerelosigkeit experimentelle Untersuchungen durchgeführt werden.

Auswirkungen der Schwerelosigkeit

Die Schwerelosigkeit in Raumstationen hat erhebliche Auswirkungen für die Raumfahrer. Aufgrund der "aufgehobenen" Gewichtskraft kommt es zu Veränderungen im Blutkreislauf, zu Störungen der Gleichgewichtsorgane und zu Muskelschwund, vor allem bei Langzeitflügen. Auch für das Leben in der Raumstation ergeben sich wesentliche Änderungen gegenüber dem, was wir auf der Erde gewöhnt sind: Gegenstände müssen befestigt werden, sonst fliegen sie unkontrolliert herum. Beim Essen, Trinken oder Waschen müssen Flüssigkeiten abgesaugt werden, sonst verteilen sie sich unkontrolliert in der Raumstation. Es gibt kein Oben und Unten. Selbst beim Schlafen muss für eine ausreichende Befestigung gesorgt werden.

Kreisbewegung als zusammengesetzte Bewegung
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