Sind Gravitation und Gewichtskraft das Gleiche?

[Unterschied Gravitation und Gewichtskraft]: 90% vs 0% auf ISS

Nein, Gravitation und Gewichtskraft sind nicht dasselbe. Die Gravitation ist die universelle Anziehungskraft zwischen Massen, die immer wirkt. Die Gewichtskraft hingegen ist die messbare Kraft, die auf einen Körper auf einem Himmelskörper wirkt – sie setzt sich aus Gravitation und zusätzlichen Effekten wie der Fliehkraft zusammen. Auf der ISS ist die Gravitation zu 90% vorhanden, aber die Gewichtskraft ist null wegen des freien Falls.

Sind Gravitation und Gewichtskraft das Gleiche?

Obwohl die Begriffe Gravitation und Gewichtskraft im Alltag oft synonym verwendet werden, bezeichnen sie physikalisch zwei unterschiedliche Konzepte, die jedoch eng miteinander verknuepft sind. Kurz gesagt: Die Gravitation ist die universelle Ursache, waehrend die Gewichtskraft das messbare Ergebnis dieser Anziehungskraft unter Beruecksichtigung lokaler Gegebenheiten ist. Diese Unterscheidung ist wichtig, denn sie erklaert, warum deine Masse auf dem Mond gleich bleibt, deine Waage dort aber ein voellig anderes Ergebnis anzeigen wuerde. Aber es gibt einen Denkfehler bei der Schwerelosigkeit im All, den fast jeder macht - die Aufloesung dazu findest du weiter unten im Abschnitt ueber Missverstaendnisse.

In der Physik ist die Gravitation eine der vier Grundkraefte der Natur, die zwischen allen Objekten wirkt, die eine Masse besitzen. Die Gewichtskraft hingegen ist die Kraft, mit der ein Koerper aufgrund der Gravitation auf eine Unterlage drueckt oder an einer Aufhaengung zieht. Werden wir genauer: Auf der Erde setzt sich das, was wir als Gewichtskraft empfinden, eigentlich aus der reinen Gravitationskraft und einem kleinen Anteil der Fliehkraft durch die Erdrotation zusammen. Der Unterschied ist also mehr als nur Wortklauberei.

Gravitation: Die universelle Kraft der Massen

Die Gravitation ist eine fundamentale Eigenschaft von Materie. Jedes Teilchen im Universum zieht jedes andere Teilchen an. Die Staerke dieser Kraft haengt nur von zwei Faktoren ab: der Masse der beteiligten Objekte und ihrem Abstand zueinander. Sie wirkt ueber unendliche Entfernungen hinweg und haelt Planeten auf ihren Bahnen. Das ist die rein theoretische Sichtweise, die ueberall im Kosmos gilt.

Ich habe frueher im Physikunterricht oft den Fehler gemacht zu glauben, dass Gravitation nur zwischen Planeten eine Rolle spielt. Aber das stimmt nicht. In der Realitaet ziehen sich auch zwei Bleistifte auf deinem Schreibtisch gegenseitig an. Die Kraft ist nur so verschwindend gering, dass wir sie nicht spueren koennen. Damit die Gravitation messbar wird, braucht es mindestens ein Objekt mit einer gewaltigen Masse, wie etwa einen Planeten oder einen Mond. Die Gravitationskonstante, die diese Staerke beschreibt, ist eine der am schwierigsten zu messenden Naturkonstanten, da sie im Vergleich zu anderen Kraeften extrem schwach ist.

Gewichtskraft: Warum die Waage luegt

Gewichtskraft einfach erklärt: Sie ist das, was du spuerst, wenn du morgens auf die Waage steigst. Sie ist ortsabhaengig. Waerest du auf dem Mond, wuerde die Gravitationskraft des Mondes auf dich wirken. Da der Mond deutlich kleiner und leichter als die Erde ist, betraegt die Gewichtskraft dort nur etwa 16,5% der Erdschwere. ^[1] Das bedeutet, ein Mensch, der auf der Erde 80 Kilogramm wiegt, wuerde auf dem Mond eine Kraft verspueren, die nur etwa 13 Kilogramm entspricht. Seine Masse - also die Anzahl der Atome in seinem Koerper - bleibt jedoch exakt gleich.

Die Waage lügt. Eigentlich misst eine Waage nämlich eine Kraft in Newton (N), rechnet diese aber für uns bequem in Kilogramm (kg) um. Das funktioniert aber nur, weil der Ortsfaktor auf der Erde fast überall gleich ist. In 10.000 Metern Höhe, etwa in einem Flugzeug, ist die Schwerkraft bereits um etwa 0,3% geringer als auf Meereshöhe. Du wiegst dort also tatsächlich ein winziges bisschen weniger, obwohl du dich nicht verändert hast. Es ist faszinierend, wie sehr unsere Wahrnehmung von Gewicht an unseren Heimatplaneten gebunden ist.

Der Einfluss der Fliehkraft

Ein oft uebersehener Aspekt ist die Erdrotation. Da die Erde sich dreht, wirkt auf uns eine Zentrifugalkraft (Fliehkraft), die uns ganz leicht nach aussen drueckt. Am Aequator ist dieser Effekt am staerksten, an den Polen gleich Null. Das fuehrt dazu, dass die Schwerkraft am Aequator um etwa 0,5% geringer ist als an den Polen. ^[3] Die Gewichtskraft ist also die Kombination aus der reinen Gravitation und dieser Fliehkraft. Wer also schnell ein paar Gramm abnehmen will, muss nur zum Aequator reisen - zumindest laut der Waage.

Haeufige Missverstaendnisse und die Schwerelosigkeit

Seien wir ehrlich: Im Supermarkt fragt niemand nach deiner Masse. Wir sagen: Ich wiege 2 Kilo Aepfel. Physikalisch gesehen kaufen wir aber eine Masse von 2 Kilogramm. Solange wir auf der Erde bleiben, ist der Masse und Gewicht Unterschied im Alltag kein Problem. Gefaehrlich wird es nur, wenn wir anfangen, ueber das Weltall nachzudenken. Hier kommt die Loesung fuer das Raetsel vom Anfang: Viele glauben, Astronauten auf der ISS seien schwerelos, weil es dort oben keine Gravitation gibt. Das ist falsch.

In der Höhe der Internationalen Raumstation ISS (ca. 400 Kilometer) ist die Gravitation der Erde immer noch sehr stark - sie beträgt etwa 90% der Kraft auf der Erdoberfläche. Der Grund, warum die Astronauten schweben, ist nicht das Fehlen von Gravitation, sondern der freie Fall. Die Station rast so schnell um die Erde, dass die Fliehkraft die Gravitationskraft exakt aufhebt. Das ist der ultimative Beweis dafür, dass der Unterschied zwischen Gravitation und Gewichtskraft absolut real ist.

Manchmal fuehlt sich Physik unlogisch an. Mir ging es jahrelang so, bis ich verstanden habe, dass Schwerkraft ein Sammelbegriff ist. Die reine Gravitation ist wie das Fundament eines Hauses - sie ist immer da. Die Gewichtskraft ist dann das fertige Haus mit allen lokalen Besonderheiten wie Wind oder Neigung. Wenn man das erst einmal verinnerlicht hat, machen Formeln wie F = m g ploetzlich viel mehr Sinn.

Vergleich: Gravitation vs. Gewichtskraft

Um die Unterschiede zwischen diesen beiden physikalischen Groessen besser zu verstehen, hilft ein direkter Vergleich ihrer Eigenschaften.

Gravitation (Masseanziehung)

1. Entsteht allein durch die Existenz von Masse (Raumzeitkruemmung).
2. Die Kraft zwischen zwei Objekten ist bei gleichem Abstand immer gleich.
3. Haengt nur von den Massen und dem quadratischen Abstand ab.
4. Universell; wirkt zwischen allen Massen im gesamten Universum.

Gewichtskraft (Schwere)

1. Resultiert aus Gravitation abzueglich Fliehkrafteffekten.
2. Stark ortsabhaengig (Erde vs. Mond oder Aequator vs. Nordpol).
3. Haengt von der Gravitation, der Rotation (Fliehkraft) und der Masse ab.
4. Lokal; wirkt auf einen Koerper an einem spezifischen Ort eines Himmelskoerpers.

Lukas und das Experiment auf der Zugspitze

Lukas, ein Physikstudent aus Muenchen, wollte fuer seine Hausarbeit den Unterschied der Gewichtskraft messen. Er wog ein Praezisionsgewicht von genau 1.000 Gramm in seinem Labor in Muenchen auf Meereshoehe (ca. 500m).

Er fuhr auf die Zugspitze auf fast 3.000 Meter Hoehe. Zuerst war er frustriert, weil seine digitale Waage immer noch fast das Gleiche anzeigte. Er realisierte, dass Standardwaagen Hoehenunterschiede automatisch ausgleichen oder zu ungenau sind.

Er lieh sich ein hochsensibles Federkraftmesser. Der Durchbruch kam, als er sah, dass die Anzeige tatsaechlich um einen winzigen Bruchteil sank. Er berechnete, dass die Schwerkraft dort oben geringer ist, weil er weiter vom Erdmittelpunkt entfernt war.

Das Ergebnis: Sein Gewicht verlor auf dem Berggipfel etwa 0,7 Gramm an Gewichtskraft. Lukas lernte, dass der Unterschied real ist, auch wenn man eine extrem genaue Ausruestung braucht, um ihn im Alltag nachzuweisen.