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Zielformel:

g=GMr2ME=gRE2G61024 kg

Gültigkeitsbereich / Annahmen:

  • M ist kugelsymmetrisch verteilt (Schalentheorem: das Außenfeld einer kugelsymmetrischen Masse ist identisch mit dem einer Punktmasse im Zentrum — genau das rechtfertigt den Abstand r „zum Massenmittelpunkt").
  • r vom Massenmittelpunkt aus, mit r Radius des Himmelskörpers (Außenfeld).
  • Newtonsche Gravitation (schwaches Feld); Zentrifugaleffekt der Rotation vernachlässigt (daher die kleinen Breitenunterschiede von g an der Erdoberfläche).

Verwendete Formeln

FormelNameFormelnheft
F=mgGewichtskraft✅ S. 2 („F=mg")
FG=Gm1m2r2Gravitationsgesetz✅ S. 2 („Gravitationsgesetz")
g=GMr2Gravitationsfeldstärke❌ nicht im Formelnheft — in der Prüfung selbst herleiten (genau diese Herleitung, zwei Zeilen)

Herleitung (Schritt für Schritt)

  1. Für eine Probemasse m an der Oberfläche dieselbe Kraft auf zwei Arten schreiben (Gewichtskraft F=mg und Gravitationsgesetz beschreiben ein und dieselbe Kraft — das Gleichsetzen ist physikalische Identität, keine Näherung):mg=GMmr2
  2. Probemasse m kürzen (auf beiden Seiten linear, m0; physikalische Bedeutung: g ist unabhängig von der Probemasse — Eigenschaft des Feldes, nicht des Körpers; genau deshalb fallen im Vakuum alle Körper gleich schnell):g=GMr2g heißt Gravitationsfeldstärke (Ortsfaktor, Einheit m/s² bzw. gleichwertig N/kg): M erzeugt das Feld, r ist der Abstand zu seinem Massenmittelpunkt.

„Wiegen der Erde": nach Cavendishs Messung von G

Newton kannte G nicht. 1798 maß Cavendish G erstmals mit der Drehwaage (Aufbau siehe Thema 4 §4.2) — g und RE waren längst bekannt, es fehlte nur G:

  1. Schritt 2 nach M auflösen (beide Seiten mal r2G; mit r=RE, also an der Erdoberfläche):

    ME=gRE2G
  2. Zahlenprobe (alle Werte aus dem Formelnheft S. 1: g=9,807 m/s², RE=6,371106 m, G=6,6731011 N·m²/kg²):

    • RE2=(6,371106)2=4,0591013 m2
    • gRE2=9,8074,0591013=3,9811014
    • ME=3,98110146,67310115,971024 kg61024 kg

    Probe: stimmt mit ME=5,9741024 kg aus dem Formelnheft S. 1 überein (Abweichung <0,2 %, durch Rundung und den Rotationsanteil in g). Darum sagt man, Cavendish habe „die Erde gewogen" — sein eigentliches Ziel war die Dichte der Erde, G fiel dabei mit ab.

Mond: g1,62 m/s² — über das Verhältnis

  1. Dieselbe Formel für den Mond ansetzen und durch die Erd-Version teilen (Vorteil der Verhältnismethode: G kürzt sich, es bleiben Massen- und Radienverhältnis; Monddaten MM=7,351022 kg, RM=1,74106 m aus dem Skript, nicht im Formelnheft):gMgE=GMM/RM2GME/RE2=MMME(RERM)2
  2. Zahlen einsetzen:
    • MMME=7,3510225,9741024=0,0123
    • (RERM)2=(6,3711,74)2=3,662=13,4
    • gMgE=0,012313,4=0,16516
    gM=0,1659,8071,62 ms216gE (Direkt eingesetzt: gM=GMM/RM2=6,67310117,351022(1,74106)2=1,62 m/s² — beide Wege stimmen überein.) Auf dem Mond wiegt man nur ein Sechstel — die Masse bleibt gleich.

Variablentabelle

SymbolBedeutungSI-Einheit
gGravitationsfeldstärke (Ortsfaktor); an der Erdoberfläche g=9,807 m/s² (Formelnheft S. 1)m/s² = N/kg
mProbemasse (wird gekürzt)kg
Mfelderzeugende (Zentral-)Massekg
rAbstand zum Massenmittelpunkt von Mm
GGravitationskonstante =6,6731011 N·m2kg2 (Formelnheft S. 1)N·m²/kg²
MEErdmasse =5,9741024 kg (Formelnheft S. 1)kg
REErdradius =6,371106 m (Formelnheft S. 1)m
MMMondmasse =7,351022 kg (Skriptwert, nicht im Formelnheft)kg
RMMondradius =1,74106 m (Skriptwert, nicht im Formelnheft)m

Verknüpfungen

  • H07 — dasselbe Schema „zwei Kräfte gleichsetzen, m kürzen"; nach der Messung von G führen beide Wege zum „Wiegen" von Himmelskörpern: H08 über das Oberflächen-g, H07 über die Bahn eines Umlaufenden.
  • H09 — die Kombination GM taucht im Schwarzschildradius wieder auf.
  • Thema 11 §11.2 — Skript-Fassung (inkl. Gezeiten-Nachfrage); §11.3 „Wiegen der Erde".
  • Thema 4 §4.2 — Drehwaage und Auswertung Schritt für Schritt.