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Was ist Schwerelosigkeit und wie entsteht sie?

Schwerelosigkeit ist ein Zustand, in dem ein Körper keine Kraftwirkung spürt. Allerdings heißt das nicht, daß keine Kräfte wirken. Das Gegenteil ist der Fall: Ein Körper ist nur dann wirklich schwerelos, wenn er unter dem Einfluß der Schwerkraft frei fällt (Einen Ort im Weltraum, der völlig frei von Schwerkraft ist, gibt es nur in der Theorie). Das ist vielleicht etwas schwierig zu begreifen, aber ich versuche es möglichst einfach zu erklären:

Nehmen wir einmal an, Du stehst in einem Aufzug auf einer Waage. Diese zeigt Dein Gewicht an. Jetzt reißt das Aufzugseil, und Du fällst mit dem Aufzug in die Tiefe. Die Luftreibung wollen wir hier einmal vernachlässigen. Was geschieht?
Die Schwerkraft beschleunigt Dich und den Aufzug und die Waage in gleichem Maß in Richtung Erdboden. Aber es gibt keine Kraft, die der Beschleunigung entgegenwirkt. Da aber die Waage mit Dir fällt und in gleichem Maß beschleunigt wird wie Du, kann sie auch Dein Gewicht nicht mehr anzeigen. Du bist schwerelos.

Folglich sind nicht nur die Astronauten in ihrem Raumschiff schwerelos, sondern ebenfalls ein Fallschirmspringer im freien Fall, oder Du beim Sprung vom 3-Meter-Brett im Schwimmbad oder von der nächstbesten Treppe...

Hierzu ein ganz einfaches Experiment, das Du fast überall durchführen kannst: Lege einfach ein schweres Buch auf die Hand und spring damit von einem Stuhl oder sonstigen erhöhten Punkt, und Du wirst in dem Moment, in dem Du springst (fällst) das Gewicht des Buches nicht spüren.

Möglichkeiten, hier auf der Erde Schwerelosigkeit zu erzeugen

Schwerelos bist Du immer, wenn Dein Körper unter dem Einfluß der Schwerkraft frei fällt, also würde es reichen, einfach in die Luft zu springen.

Allerdings ist die Dauer der Schwerelosigkeit dabei sehr kurz, weshalb Du auch kaum eine Chance hast, dieses Gefühl wirklich bewußt zu spüren (es ist allerdings möglich, z. B. auf dem Trampolin).

Wenn Wissenschaftler aber Experimente unter Schwerelosigkeit durchführen und dafür nicht ins All fliegen wollen, reicht diese Zeit nicht.

Eine Möglichkeit ist es, einen sehr hohen Turm, einen sogenannten Fallturm, zu bauen, mit einer Röhre, die luftleer gepumpt wird, um die Reibung zu verringern und Restkräfte auszuschalten, und mit einer Auffangvorrichtung für das Experiment. Dieses wird in eine Kapsel gesteckt und im Turm fallengelassen, und unten von einem Bett aus Styroporkügelchen oder ähnlichem abgebremst, damit es nicht zerschellt. Die Dauer der Schwerelosigkeit beträgt dabei einige Sekunden, je nach Fallhöhe. ( Falls es Dich interessiert, es gibt eine Formel, nach der man die Fallhöhe berechnen kann: s = 1/2 g * t² , also der zurückgelegte Weg entspricht der halben Erdbeschleunigung mal der Dauer der Fallzeit im Quadrat)
Für einige materialwissenschaftliche Experimente, z. B. bestimmte Verbrennungsvorgänge, reicht diese Zeit aus.

Aber es gibt einen entscheidenden Nachteil: Die Forscher können nicht dabeisein und eingreifen.

Dafür gibt es eine andere Möglichkeit, die sogenannten Parabelflüge:
Wenn Du wissen willst, was ein Parabelflug ist und wie er funktioniert, klicke hier.

Eine weitere Form des Parabelflugs ist der Flug von Experimenten auf einer Höhenforschungsrakete. Hierbei wird eine Rakete auf eine Höhe zwischen 100 und 800 km geschossen, erreicht aber keine Umlaufbahn und fällt wieder auf die Erde zurück. Die Experimente werden je nach Erfordernissen mit einem Fallschirm geborgen. Auch hier können die Forscher nicht selbst dabeisein, allerdings dauert die Schwerelosigkeit hier zwischen 5 und 15 Minuten und die Experimente können teilweise vom Boden aus per Telemetrie gesteuert werden.
Das SpaceShip 1, geflogen von Mike Melvill bzw. Brian Binnie, folgte übrigens der gleichen suborbitalen Flugbahn, ebenso die für die nahe Zukunft geplanten suborbitalen Touristenraumflüge. Es gibt auch schon Überlegungen, diese Flüge für Experimente mit direkter Eingriffsmöglichkeit wie auf den Flugzeug-Parabelflügen zu nutzen.

Wieso sind nun aber die Astronauten in ihrem Raumschiff schwerelos?

Ganz einfach, aus dem selben Grund, den ich oben erklärt habe:
Im Weltraum bist Du andauernd im freien Fall. Aber jedes Mal, wenn Du etwas näher an die Erde herangefallen bist, bist Du eine so große Strecke vorangekommen (der Space Shuttle bewegt sich mit 27000 km/h), daß die Krümmung der Erde sich genauso weit von Dir entfernt hat, wie Du gefallen bist, Du bleibst in derselben Höhe und umkreist sie. Das Raumschiff fällt für ewig um die Erde herum, außer es wird durch eine Gegenkraft (z. B. der Rückstoß der Bremsraketen) abgebremst, die die Flugbahn des Raumschiffs in Richtung der Erdoberfläche krümmt und somit dafür sorgt, daß die Flugbahn irgendwann auf die Erdoberfläche trifft.

Dies habe ich in folgender Grafik verdeutlicht, die verschiedene Flugbahnen für verschiedene Abwurfgeschwindigkeiten zeigt.
Je höher die Abwurfgeschwindigkeit, desto weiter geht die Flugbahn, bis sie bei der richtigen Geschwindigkeit um die Erde herumführt.










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