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Zielformeln:

vF=2GMr,vF=2vKreis,Eges=−GMm2r

Gültigkeitsbereich/Annahmen: nur die Gravitation des einen Himmelskörpers wirkt (Luftwiderstand und andere Körper vernachlässigt); m≪M (Zentralkörper ruht); Definition der Flucht: Ein mit genau vF startender Körper hat bei r→∞ genau die Geschwindigkeit 0 (nach unendlich langer Zeit).

Verwendete Formeln ​

FormelNameFormelnheft
W=G⋅M⋅m⋅(1r1−1r2)Gravitationsenergie (Hubenergie von r1 nach r2 im Gravitationsfeld) — der Schlüssel dieser Herleitung, steht genau so im Heft!✅ S. 2 („Gravitationsenergie")
Ekin=mv22Kinetische Energie✅ S. 2 („Kinetische Energie")
F=Gm1m2r2Gravitationsgesetz (Hintergrund)✅ S. 2 („Gravitationsgesetz")
vKreis=GM/rKreisbahngeschwindigkeit (für die 2-Beziehung und Eges)❌ nicht im Formelnheft — siehe [[Satellit Kreisbahn
vF=2GM/r, Eges=−GMm2rFluchtgeschwindigkeit / Gesamtenergie der Bahn❌ nicht im Formelnheft — bei der Prüfung selbst herleiten (siehe unten)
Energieerhaltung Eges=Ekin+Epot=konst.Energieerhaltungssatz❌ nicht im Formelnheft — selbst formulieren

Herleitung (Schritt für Schritt) ​

A) Die zum Entkommen nötige Hubenergie (Grenzwert der Gravitationsenergie aus dem Formelnheft) ​

  1. Formel aus dem Heft anschreiben (Formelnheft S. 2, „Gravitationsenergie"): Die Energie, um die Masse m im Feld von M von r1 nach r2 zu bringen, istW=G⋅M⋅m⋅(1r1−1r2)(Sie berücksichtigt bereits, dass die Gravitation mit dem Abstand abnimmt — der exakte Ersatz für mgh bei großen Abständen.)
  2. Fluchtsituation einsetzen. Start: Oberfläche des Himmelskörpers, r1=r; Ziel: „dem Gravitationsfeld vollständig entkommen" = ins Unendliche, r2→∞.
  3. Grenzwert nehmen. Hier wird der Grenzwert r2→∞ genommen, weil die Flucht per Definition das Erreichen des Unendlichen bedeutet; dabei gilt 1r2→0:W∞=GMm(1r−0)=GMmrDas ist die gesamte Hubenergie von der Oberfläche bis ins Unendliche — eine endliche Zahl! (Nur deshalb ist Flucht überhaupt möglich.)

B) Fluchtgeschwindigkeit vF=2GM/r (Energiemethode) ​

  1. Energiebilanz. Beim Start hat der Körper nur kinetische Energie Ekin=12mvF2; im Unendlichen ist per Definition v=0 ⇒ die kinetische Energie bezahlt die Hubenergie W∞ genau (nicht mehr — sonst bliebe Restgeschwindigkeit; nicht weniger — sonst kehrte der Körper um).
  2. Gleichsetzen (Energieerhaltung):12mvF2=GMmr
  3. Masse m kürzen (beide Seiten durch m, m>0) — die Fluchtgeschwindigkeit ist unabhängig von der Masse des Raumschiffs:vF22=GMr
  4. Beide Seiten mal 2:vF2=2GMr
  5. Wurzel ziehen (positive Wurzel):vF=2GMr
  6. Rechenbeispiel (unabhängig nachgerechnet, Werte von S. 1): Erdoberfläche, r=RE=6,371⋅106 m:vF=2⋅6,673⋅10−11⋅5,974⋅10246,371⋅106=1,2514⋅108≈11187 m/s≈11,2 km/s✓(= zweite kosmische Geschwindigkeit; Mond ca. 2,4 km/s. Das Skript erhält dieselbe Formel über die vereinfachte mgh-Rechnung mit h=r — und merkt selbst an: Die strenge Variante ist genau die hiesige Energiemethode „Gesamtenergie an der Oberfläche = 0".)

C) vF=2vKreis (Beziehung zur Kreisbahngeschwindigkeit) ​

  1. Beide Formeln nebeneinander schreiben: Kreisbahn (H05): vKreis2=GMr; Flucht (B, Schritt 4): vF2=2GMr.
  2. Dividieren (GMr≠0 kürzt sich):vF2vKreis2=2
  3. Wurzel ziehen:vF=2⋅vKreisKontrolle: 7,9⋅2≈11,2 km/s ✓ (erste → zweite kosmische Geschwindigkeit).

D) Gesamtenergie der Kreisbahn Eges=−GMm2r ​

  1. Potentielle Energie für große Abstände anschreiben. Mit dem Nullpunkt Epot=0 im Unendlichen ist die potentielle Energie bei r das Negative der noch fehlenden Hubenergie — also das Negative von A, Schritt 3:Epot=−GMmr(Das Minuszeichen bedeutet gebunden: energetisch tiefer als im Unendlichen, im Potentialtopf.)
  2. Gesamtenergie anschreiben (kinetisch + potentiell):Eges=12mv2−GMmr
  3. Kreisbahngeschwindigkeit einsetzen (H05: v2=GMr):Eges=12m⋅GMr−GMmr=GMm2r−GMmr
  4. Auf gemeinsamen Nenner bringen (12−1=−12):Eges=−GMm2rDie Gesamtenergie der Kreisbahn ist negativ — der Satellit ist gebunden. (Nebenbei: |Epot|=2Ekin, typisch für gebundene Bahnen.)

E) Vorzeichen von Eges ↔ Bahnform (Dreiteilung) ​

Aus dem Vorzeichen von Eges=12mv2−GMmr liest man die Bahnform direkt ab:

EgesPhysikalische BedeutungBahnform
<0kinetische Energie reicht nicht für die Fluchtrechnung — Körper gebunden im PotentialtopfKreis / Ellipse
=0genau v=vF (B, Schritt 2 ist genau der Fall Eges=0)Parabel
>0v>vF, im Unendlichen bleibt kinetische Energie übrigHyperbel

Variablentabelle ​

SymbolBedeutungSI-Einheit
vFFluchtgeschwindigkeit (Start an der Oberfläche)m/s
vKreis, vKreisbahngeschwindigkeit in gleicher Höhe; Momentangeschwindigkeitm/s
W, W∞Hubenergie (r1→r2); Hubenergie bis ins UnendlicheJ
Ekin, Epot, Egeskinetische Energie; potentielle Energie (Nullpunkt im Unendlichen); GesamtenergieJ
mMasse des Raumschiffs/Körpers (kürzt sich in B)kg
M, MEMasse des Zentralkörpers; Erdmasse =5,974⋅1024 kg (Formelnheft S. 1)kg
GGravitationskonstante =6,673⋅10−11 N·m²/kg² (S. 1)N·m²/kg²
r, r1, r2Abstand vom Mittelpunkt des Himmelskörpers (Start an der Oberfläche: r=RE); Start-/Zielabstandm
REErdradius =6,371⋅106 m (S. 1)m

Verknüpfungen ​

  • Herleitung der Kreisbahngeschwindigkeit vKreis=GM/r (Eingang in C und D) → H05
  • Dieselbe Energiemethode für kleine Höhen (v=2gh, Masse kürzt sich ebenfalls) → H03
  • Begriff der potentiellen Energie und Nullpunktswahl → H02
  • Skript: Thema 2 §2.4 (Definition, Energie-Herleitung, 2-Beziehung, zweite kosmische Geschwindigkeit), Thema 2 §2.5 (Dreiteilung, Epot=−GMm/r), Thema 11 §11.7 (vF=c ⇒ Schwarzschildradius)