Schwerkraft im Zusammenhang mit Masse und ‚Gewicht‘ | IOPSpark

Gewicht und Waagen

Es gibt keinen Ort auf der Erde, an dem keine Schwerkraft wirkt. Das bedeutet, dass jedes Objekt, dem wir jemals begegnen, sich im Gravitationsfeld der Erde befindet und daher von mindestens einer Kraft, der Gravitationskraft, beeinflusst wird.

Um die physikalische Grundlage der Wechselwirkung im Auge zu behalten, schlagen wir vor, diese Kraft als Gravitationskraft auf das Objekt zu bezeichnen (Puristen würden vielleicht die Gravitationskraft vorziehen – aber das ist einfach viel schwieriger zu buchstabieren. Die Schwerkraft wirkt in Richtung des Erdmittelpunkts oder, einfacher ausgedrückt, nach unten. Der Kraftpfeil, der die Gravitationskraft darstellt, wird am besten vom Mittelpunkt eines Objekts aus in gerader Richtung nach unten gezogen.

Die Geschichte der Gravitation geht natürlich weit über die Erde hinaus. Die Schwerkraft ist eine universelle Kraft, die zwischen zwei beliebigen Objekten mit Masse wirkt, wo immer sie sich im Universum befinden mögen. (Mehr zur Gravitationskraft gibt es in der Episode Gravitation und Weltraum im SPT: Erde im Weltraum.)

Für die meisten alltäglichen Zwecke ist es wirklich nicht nötig, zwischen Masse und Gewicht zu unterscheiden. Die Menschen verstehen es genauso gut, wenn man sagt, dass die Masse des Sackes Kartoffeln 5 Kilogramm beträgt, oder wenn man dies als Gewicht der Kartoffeln bezeichnet. In den Naturwissenschaften, insbesondere in der Physik, gibt es jedoch eine klare Unterscheidung zwischen der Masse eines Objekts und der Anziehungskraft, die auf ein Objekt wirkt. Wenn die Lernenden diesen Bereich der Wissenschaft verstehen sollen, müssen sie den Unterschied zwischen Masse und Kraft verstehen.

Das liegt an Ihnen. Geben Sie Ihr Bestes. Was genau ist der Unterschied zwischen Masse und Schwerkraft?Nehmen Sie sich eine Minute Zeit, um Ihre Gedanken zu sammeln. Versuchen Sie, dies einem Freund zu erklären.

Es kann sein, dass Sie dabei an Kräfte, Teilchen (oder Dinge) denken, vielleicht sogar an den Mond, der in solchen Erklärungen regelmäßig auftaucht. Es ist eine gute Idee, mit der Gravitationskraft zu beginnen. Es gehört zu unserer alltäglichen Erfahrung, dass manche Dinge mehr wiegen als andere. Versuchen Sie einfach, sie zu heben. Waagen messen, wie viel Kraft man braucht, um einen Gegenstand stabil zu halten. Daher scheint es einfach und hilfreich, diese Haltekraft als Gewicht zu bezeichnen.

In Supermärkten gibt es zum Beispiel Waagen mit Oberschale und auch Hängewaagen. Beide Geräte nutzen die Anziehungskraft der Schwerkraft, um das Gewicht von Lebensmitteln zu messen. Sie funktionieren nach dem Prinzip, dass sie die Aufwärtskraft ermitteln, die erforderlich ist, um zu verhindern, dass die Lebensmittel auf den Boden fallen. Bei der Messung gleicht die aufwärts gerichtete Kraft der Waage die abwärts gerichtete Kraft der Schwerkraft aus. Dies ist ein Beispiel für zwei Kräfte, die sich im Gleichgewicht befinden. In der Schule erfüllt ein Newtonmeter die gleiche Aufgabe. Das Gewicht ist dann eine Stützkraft, die in Newton gemessen wird. Waagen zeigen die Größe dieser Kraft an, die oft eine Zugkraft oder eine Druckkraft ist.

Masse und Wiegen

Was ist mit der Masse? Am besten fängt man damit an, dass man Masse nicht mit einem Pfeil in einer Skizze darstellen kann. Die Masse hat keine Richtung. Es geht nicht um Stöße oder Anziehungskräfte. Es geht darum, wie schwer es ist, die Bewegung zu ändern.

Dinge mit mehr Masse sind schwerer in Gang zu bringen und schwerer zu stoppen, wenn sie einmal in Gang sind. Die Masse ist eine Trägheitseigenschaft. Ein 3 Kilogramm schwerer Sack Kartoffeln lässt sich schwerer werfen als ein 5 Kilogramm schwerer Sack. Die Masse wird in der Einheit Kilogramm gemessen. Die Anzahl der Teilchen in einer Sache wird in Mol gemessen und ist die richtige Einheit für die Menge der Materie.

Es gibt einen klaren Zusammenhang zwischen der Masse eines Sacks Kartoffeln und der Anziehungskraft auf denselben Sack. Ein 5-Kilogramm-Sack wiegt mehr als ein 3-Kilogramm-Sack (auf den 5-Kilogramm-Sack wirkt an der Erdoberfläche eine Kraft von etwa 50 Newton, auf den 3-Kilogramm-Sack eine Kraft von etwa 30 Newton). Je größer die Masse eines Gegenstandes ist, desto größer ist die Kraft, die auf ihn einwirkt. Es besteht ein enger Zusammenhang zwischen dem Widerwillen eines Objekts, beschleunigt zu werden, und der auf es wirkenden Schwerkraft.

Angenommen, man nimmt einen 5 Kilogramm schweren Sack Kartoffeln mit zum Mond. Fragen Sie nicht, warum! Wenn sich der Sack auf der Erde schwer anfühlte, wird er auf dem Mond viel leichter zu heben sein. Kannst du erklären, warum?

Alles wiegt auf dem Mond weniger, weil die Anziehungskraft an der Mondoberfläche schwächer ist als auf der Erde. Sie ist etwa 15-mal so groß wie auf der Erde. So wirkt auf den 5 Kilogramm schweren Sack Kartoffeln an der Erdoberfläche eine Kraft von etwa 50 Newton, auf dem Mond von etwa 10 Newton. Alles fühlt sich leichter an. Das liegt ganz einfach daran, dass der Mond eine geringere Masse hat als die Erde.

Doch es sind immer noch genau so viele Kartoffeln in dem Sack, also ist er genauso schwer zu beschleunigen. Die Masse von 5 Kilogramm hat sich nicht verändert, wohl aber die Schwerkraft (und damit das Gewicht). Darin liegt der Unterschied. Die Kraft hängt von der Schwerkraft ab; die Masse hängt nur vom Objekt ab. Betrachten Sie die Kraft, die erforderlich ist, um einen auf der Erde laufenden Rugbyspieler innerhalb eines Meters zum Stillstand zu bringen. Die gleiche Kraft wäre erforderlich, um den gleichen Spieler mit der gleichen Geschwindigkeit und in der gleichen Entfernung auf dem Mond zum Stehen zu bringen. Es geht immer noch darum, die gleiche Masse mit der gleichen Geschwindigkeit zu stoppen.

Das Wesentliche ist, dass die Masse nicht variiert. Wenn Sie die Masse eines Objekts hier auf der Erde und auf dem Mond messen, würden Sie feststellen, dass sie genau gleich ist. Das entspricht dem gesunden Menschenverstand. Wenn man ein Objekt auf den Mond bringt, ist es dasselbe Objekt: Einige Eigenschaften sollten gleich bleiben, und die Masse ist eine dieser Eigenschaften.

Der 5-Kilogramm-Sack Kartoffeln würde auf der Oberfläche des Jupiters etwa 120 Newton wiegen (die Stärke der Oberflächengravitation des Jupiters beträgt etwa 24 Newton auf jedes Kilogramm). Planeten, die massereicher sind als die Erde, haben eine stärkere Oberflächengravitation. Sterne, die Millionen Mal massiver sind als die Erde, haben eine enorme Oberflächengravitation. Schwarze Löcher, die so massiv sind, dass man sie sich kaum vorstellen kann, haben eine so starke Oberflächengravitation, dass sogar Lichtstrahlen nach innen gezogen werden. Deshalb können wir sie nicht sehen. Sie erscheinen schwarz.

Um uns alle zu verwirren, zeigen die meisten alltäglichen Waagen das Gewicht nicht in Newton an. Jede Badezimmerwaage, die Sie wahrscheinlich zu Hause benutzen, ist in Kilogramm (und Steinen und Pfund!) geeicht. Im alltäglichen Leben messen wir unser Gewicht in Kilogramm. In wissenschaftlichen Zusammenhängen messen wir die Kraft in Newton. Dies ist ein gutes Beispiel für eine Situation, in der sich alltägliche und wissenschaftliche Redeweisen und Denkweisen voneinander unterscheiden.

Die Waage im Supermarkt, die Ihnen sagt, dass eine Tüte Bananen 3 Kilogramm wiegt, misst in Wirklichkeit die Auflagekraft mit etwa 30 Newton und teilt sie dann durch zehn, um Ihnen die Masse der Bananen als 3 Kilogramm anzugeben. Es kann so programmiert werden, weil auf der Erde die Schwerkraft jedes 1 Kilogramm mit einer Kraft von etwa 10 Newton nach unten zieht (eigentlich sind es etwa 9,8 Newton, aber 10 Newton ist auf diesem Niveau nahe genug). Etwas, das etwa 30 Newton wiegt (und eine Stützkraft – Druck oder Zug – benötigt), wird also eine Masse von etwa 3 Kilogramm haben.