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Warum verhalten sich Dinge in Flugzeugen mit Schwerelosigkeit oder im Kotzkometen so, als gäbe es keine Schwerkraft, obwohl sie nur fallen? – Austin B., 11, Scranton, Pennsylvania
Ich bin schon viele Male in einem Flugzeug mit Schwerelosigkeit geflogen. Jedes Mal genieße ich das Gefühl des freien Schwebens, die Möglichkeit, mit einem sanften Druck auf die Wand quer durch die Kabine zu fliegen, genau wie die Astronauten in der Internationalen Raumstation, und die Neuheit, den Körper in jede beliebige Richtung zu drehen. Das Gefühl ist vergleichbar mit dem kurzzeitigen Gefühl auf einigen Achterbahnen oder von einem Sprungbrett, aber für fast eine halbe Minute und ohne dass die Luft an einem vorbeirauscht – es macht Spaß!
Das Gefühl der Schwerelosigkeit ohne Raumfahrt mag wie ein Widerspruch erscheinen. Aber es ist möglich, und Menschen entscheiden sich häufig dafür, dies zur Erholung oder zu Forschungszwecken in einem Flugzeug zu tun, das in der Atmosphäre und nicht im Weltraum fliegt.
Ich forsche in der Luft- und Raumfahrttechnik und interessiere mich dafür, wie man Flüssigkeiten und Gase in der Raumfahrt kontrollieren und nutzen kann. Beispiele sind flüssige Raketentreibstoffe in Raumfahrzeugen oder Wasser in Lebenserhaltungssystemen in bemannten Raumfahrzeugen.
Beispiele für die Schwerkraft in Aktion
Wenn man still steht, spürt man die Kraft, die wir Schwerkraft nennen, wenn man spürt, wie die Erde uns zu ihrem Mittelpunkt zieht. Die Schwerkraft zieht dich nach unten, und der Boden drückt auf deine Füße. Wenn die Schwerkraft verschwinden würde, könnten Sie sich vom Boden abstoßen und wegschweben, ohne jemals wieder auf den Boden zurückzukehren, es sei denn, Sie finden eine Decke, von der Sie sich wieder abstoßen können. Du würdest herumschweben wie jemand, der in einem Flugzeug mit Erbrochenem fliegt, oder wie ein Astronaut in der Internationalen Raumstation.
Du hast vielleicht gelernt, dass die Raumstation die Erde umkreist, weil die Schwerkraft, die auf sie wirkt, durch die seitliche Kraft, die durch die kreisförmige Flugbahn verursacht wird, ausgeglichen wird. Diese Kraft nennt man Zentrifugalkraft, die man auch spürt, wenn man sich in einem Auto, einem Zug, einem Vergnügungspark oder ähnlichem dreht.
Flugzeuge fliegen näher an der Erdoberfläche, daher ist die Schwerkraft für das Flugzeug etwas stärker als für die Internationale Raumstation. Aber die Schwerkraft, die von der Erde ausgeht, ist in der Raumstation und im Kotzometer eindeutig vorhanden, und doch sehen Astronauten in der Raumstation und Forscher oder Touristen im Kotzometer so aus, als gäbe es keine Schwerkraft. Warum?
Ich bin mit wissenschaftlichen Experimenten und Studenten der Purdue University im Kotzometer geflogen, und tatsächlich fühlt es sich an, als gäbe es keine Schwerkraft.
Aber jedes Mal, wenn ich fliege, zieht die Schwerkraft das Flugzeug zur Landung auf der Landebahn auf den Boden. Wir wissen also, dass die Schwerkraft vorhanden sein muss, und doch sieht es so aus und fühlt es sich so an, als gäbe es während eines Teils des Fluges mit dem Erbrochenen keine Schwerkraft.
Diese Forschungsflüge sind in der Regel mit qualifizierten Forschern besetzt, die einen höheren Abschluss, in meinem Fall einen Doktortitel, erworben haben.
Wie Schwerelosigkeit in einem Flugzeug entsteht
Ein alltägliches Ereignis kann Ihnen helfen zu verstehen, wie scheinbar die Schwerkraft gleichzeitig vorhanden und nicht vorhanden ist. Wenn man in einem Auto fährt, das nach links abbiegt, fühlt man sich nach rechts gedrückt. Vielleicht fühlen Sie sich sogar gegen die rechte Seite des Innenraums gedrückt, und die Tür drückt auf Sie zurück. Wenn man sich in die Fahrtrichtung dreht, ändert sich auch das, was wir die Geschwindigkeit des Autos nennen.
Die Geschwindigkeit umfasst sowohl die Geschwindigkeit des Autos als auch die Richtung, in die es sich bewegt. Eine Richtungsänderung fühlt sich für dich wie eine seitliche Schwerkraft an. Eine Änderung der Geschwindigkeit, wie z.B. ein plötzliches Anhalten, fühlt sich für Sie an wie die Vorwärtsschwerkraft. Das Anfahren und Anhalten von Aufzügen fühlt sich für einen Moment so an, als gäbe es mehr oder weniger Schwerkraft. Diese Geschwindigkeitsänderungen werden als Beschleunigungen bezeichnet. Die Beschleunigung hat einen Betrag und eine Richtung, genau wie die Geschwindigkeit, und beide sind Beispiele für Vektoren. Ein weiterer Vektor ist die Kraft, und ein Beispiel ist die Schwerkraft, die uns auf die Erdoberfläche zieht.
Du hast erfahren, dass sich die Beschleunigung genauso anfühlt wie die Schwerkraft. Stell dir vor, du könntest einen Weg finden, eine „Antigravitationsbeschleunigung“ zu erzeugen, d.h. eine Beschleunigung, die in die richtige Richtung und in der richtigen Stärke wirkt, um die Schwerkraft aufzuheben. Ist das möglich?
Die Antwort lautet: Ja – das geschieht bei einem Brechometerflug und in einer Umlaufbahn.
Die Form der Brechometerflugbahn wird Parabel genannt. Die Piloten erreichen dies, indem sie in einem Winkel von etwa 45 Grad nach oben fliegen und dann in einem Winkel von etwa 45 Grad abtauchen, was die notwendige Beschleunigung erzeugt, um die Schwerkraft aufzuheben. Die Höchstgeschwindigkeit des Flugzeugs und die Geschwindigkeit, mit der das Flugzeug vor und nach einer Parabel hochziehen kann, bestimmen, wie lange diese Beschleunigung anhalten kann, etwa 25 Sekunden.
Die Schwerkraft zieht uns nach unten, und wenn wir in einem Flugzeug oder Raumschiff genau richtig beschleunigen, können wir das Gefühl haben, in der Schwerelosigkeit zu sein. Der korrekte physikalische Begriff ist Schwerelosigkeit, aber Schwerelosigkeit ist ein beschreibender Begriff, der auch die Empfindung beschreibt, so dass selbst in der Welt der Luft- und Raumfahrtforschung und bei der NASA der Begriff „Schwerelosigkeit“ von den Experten am häufigsten verwendet wird.
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