Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

Schwerelosigkeit Die bemannte Raumfahrt dient Forschungszwecken. Es werden Experimente bei „Schwerelosigkeit“ durchgeführt und gleichzeitig wird erforscht, wie Menschen in einer Raumstation leben können. Die Schwerelosigkeit stellt ein besonderes Problem für einen Aufenthalt im Weltraum dar. Das Gefühl der Schwerelosigkeit tritt auf, wenn unser Gleichgewichts- organ „Unten“ und „Oben“ nicht unterscheiden kann. Der Körper reagiert mit Symptomen wie bei Seekrankheit (Übel- keit, …). Bei längerem Aufenthalt im All werden durch die fehlende Belastung Knochen und Muskel teilweise abgebaut. Schwerelosigkeit entsteht, wenn sich Körper im freien Fall befinden. Üblicherweise merken wir die Schwerkraft, weil der Boden eine Gegenkraft ausübt. Denken wir etwa an eine Personenwaage: Die Federn in der Waage werden durch das Gewicht der Person und die Gegenkraft des Bodens zusammengedrückt. Befinden sich Waage und die darauf stehende Person im freien Fall, so fehlt diese Gegenkraft: die Waage zeigt – wie auch das Gleichgewichtsorgan – für das Gewicht den Wert null an. Einen „schwerelosen“ Raum im eigentlichen Sinn, also einen Raum, in dem keine Schwerkraft exis- tiert, gibt es im Weltall nicht. Selbst in der Mondbahn würde dich die Erde noch mit einer Kraft anziehen, die einem 3600 stel deines Gewichts auf der Erde entspricht. Kann man Vorgänge bei Schwerelosigkeit (z. B. die Kristallisation von Flüssigkeiten) auch ohne Raumstation unter- suchen? Dies gelingt z. B. kurzzeitig bei Parabelflügen . Dabei fliegen Flugzeuge nach einem steilen Steigflug durch kurz- zeitiges Abschalten der Triebwerke auf einer Wurfparabel. ( 52.1 ) Experiment: Schwerelosigkeit 52.1 E 2 Du brauchst: PET Flasche mit seitlichen Löchern, Wasser Fülle Wasser in die Flasche und lass sie aus größerer Höhe fallen. Was beobachtest du? Dokumentiere mit einer Kamera deine Versuche und interpretiere die Bilder. 52.2 Du brauchst: Eine Personenwaage, einen Personenaufzug E 1 a) Miss dein Gewicht im fahrenden Aufzug. Was stellst du fest, wenn der Aufzug nach oben anfährt und danach sich gleichmäßig bewegt? Was, wenn er sich nach unten bewegt? S 2 b) Erkläre deine Beobachtungen und setze sie in Beziehung zu Fahrten auf der Hochschaubahn. Untersuche, überlege, forsche: Schwerelosigkeit 52.1 S 2 Überlege, welche Probleme für Astronauten in Raumstationen durch Schwerelosigkeit entstehen und wie man sie lö- sen könnte. Überprüfe deine Überlegungen mit Internet-Recherchen. Untersuche, überlege, forsche: Keplersche Gesetze 52.2 W 2 Die Keplerschen Gesetze gelten für alle Körper, die sich wegen der Gravitati- onskraft um einen Zentralkörper bewegen, daher auch für künstliche und natürli- che Erdsatelliten. Berechne mit Hilfe des 3. Keplerschen Gesetzes und der Umlauf- zeit des Mondes die Erdmasse. (Entfernung Mond-Erde: 384000 km, Umlaufzeit 27,3 Tage). 52.3 W 2 Berechne mittels des 3. Keplerschen Gesetzes die Masse der Sonne (mittlerer Abstand Erde-Sonne: 150Mio. km). Überprüfe dein Ergebnis an Hand der Tabelle S. 145. 52.4 W 2 Geostationäre Satelliten bewegen sich so um die Erde, dass sie sich immer über demselben Punkt am Äquator befinden. Sie werden z. B. als Nachrichtensatel- liten, Wettersatelliten oder für Forschung eingesetzt. In welcher Höhe H befinden sich diese Satelliten und welche Geschwindigkeit haben sie? ( T = 24h, r = R + H ) ? Antwort auf die Eingangsfrage Warum fallen die Passagiere der Loopingbahn nicht aus den Sitzen? Etwa wegen der Schulterbügel? Warum fallen die Wagen nicht aus der Bahn? Zur Vereinfachung des Problems betrachten wir nur einen Wagen der Loopingbahn und nehmen an, dass die Bahn ein Kreis ist. Reibung und Luftwiderstand wer- den vernachlässigt. Für eine Kreisbewegung (Radius R ) muss die Zentripetalkraft mv 2 / R auf den Wagen wirken. Die Schienen erzwingen die Kurvenfahrt, indem sie quer zur Bewegungsrichtung auf den Wagen eine Kraft F S , die Führungskraft der Schienen radial nach innen, aus- üben. Die Führungskraft der Schienen ist in den verschiedenen Teilen der Kurve un- terschiedlich groß, am höchsten Punkt S ist sie Null, am tiefsten Punkt am größten. Die Gewichtskraft G zerlegen wir wie bei der schiefen Ebene in zwei Komponenten: 52.1 Schwerelosigkeit auf einem Parabel- flug eines Airbus. Die Versuchsanlagen sind fest in der Flugzeugkabine montiert. Manche Forscher halten sich mit Hilfe von Gurten am Boden des Flugzeugs, damit sie bei der Arbeit an ihren Geräten nicht davonschweben. 52.2 In der fallenden Flasche herrscht Schwerelosigkeit. Der Gewichtsdruck des Was- sers verschwindet, die Flüssigkeit rinnt nicht mehr aus. 52 MECHANIK 1 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des V rlags öbv