Gravitation Bowlingkugel gegen Feder: Das Schwerkraft-Duell

Was stürzt schneller zu Boden – eine Bowlingkugel oder eine Feder? Ganz klar: In einer Vakuum-Kammer treffen beide Gegenstände EXAKT gleichzeitig unten auf. Das kann man theoretisch alles prima erklären. Aber noch viel besser ist es, man schaut sich dieses Phänomen einfach mal in diesem Video an:

Video: Das Schwerkraftduell – Feder gegen Kugel

Warum fallen Feder und Kugel gleich schnell?

Die Antwort von Brian Cox im Video verwirrt: Feder und Kugel fielen (scheinbar) gleich schnell, weil sie eigentlich gar nicht fielen, sondern auf der Stelle stünden? Und sie ruhten, da überhaupt keine Kraft auf sie einwirke?

Der freie Fall

Nun: In der klassischen Physik – also nach den Gesetzen, die wir aus dem Schulunterricht kennen – wirkt im Fallturm sehr wohl eine Kraft auf die Körper: Die Gravitation, also die Anziehungskraft zwischen Erde und Feder bzw. Bowlingkugel. Und natürlich geraten beide Körper in Bewegung. Sie werden sogar immer schneller: Da die Schwerkraft ständig an den Körpern "zieht", steigt ihre Geschwindigkeit von Sekunde um Sekunde. Das Überraschende dabei: Diese sogenannte Erdbeschleunigung (g) ist für alle Körper exakt gleich. Sie ist völlig unabhängig von Form, Dichte und Masse der fallenden Gegenstände.

Beobachten können wir dieses Phänomen jedoch nur im Vakuum! Denn sobald Luft im Raum ist, ändern sich die Regeln. Dann kommen Gegner der Schwerkraft ins Spiel: Auftrieb und Luftwiderstand bremsen den Freien Fall. Und im Unterschied zur Erdbeschleunigung hängt die Stärke der Abbremsung direkt von Form und Dichte der fallenden Körper ab. Im konkreten Fall bremsen Auftrieb und Luftwiderstand den Sturz der Feder viel stärker als den der Bowlingkugel.

Die Schwerkraft als Scheinkraft

Soweit so gut. Doch warum stellt Brian im Video die scheinbar absurde Behauptung auf, dass im Vakuum überhaupt keine Kräfte wirken, also nicht einmal die Gravitation?

Dazu ein Gedankenexperiment: Wir tauschen die Feder gegen einen Astronauten mit verbundenen Augen. Auch der Astronaut fiele gleich schnell wie Feder und Kugel. Doch was verspürte der Astronaut beim Fall? Nichts! Er fühlte sich völlig schwerelos. Da seine Augen verbunden sind, könnte er nicht unterscheiden, ob er nun auf die Erde zu rase oder ob er draußen im All schwebte, weit weg von irgendeinem Planeten und jeder Schwerkraft.

Offensichtlich sind beide Zustände äquivalent. In beiden Fällen wirken aus der Perspektive des Astronauten keine Kräfte. Diesen Widerspruch konnte erst Albert Einstein mit der Allgemeinen Relativitätstheorie 1915 auflösen: In der ART ist die Schwerkraft nur eine Scheinkraft, also gar nicht vorhanden.

Die scheinbare Anziehung zweier Körper resultiert stattdessen aus der Krümmung des Raumes, die jeder Körper durch seine Masse hervorruft. Diese Manipulation der Raum-Geometrie sorgt dafür, das Bowling-Kugel und Erde zusammenprallen, obwohl keine Kräfte zwischen Ihnen wirken.

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