Zielformel:
Gültigkeitsbereich / Annahmen:
- Heuristische (newtonsche) Herleitung: klassische kinetische Energie und Fluchtgeschwindigkeit, Licht als „Wurfkörper mit
" behandelt — siehe den eigenen Abschnitt „Warum nur heuristisch". - Masse
kugelsymmetrisch, nicht rotierend, ungeladen (genau die Voraussetzungen der Schwarzschild-Lösung). - „Volumen" in der Dichteformel = Kugelvolumen innerhalb des Ereignishorizonts (Konvention für die mittlere Dichte, keine reale Materieverteilung — die ART sagt den Kollaps zur Singularität voraus).
Verwendete Formeln
| Formel | Name | Formelnheft |
|---|---|---|
| kinetische Energie | ✅ S. 2 („ | |
| Gravitationsenergie | ✅ S. 2 („Gravitationsenergie") | |
| Fluchtgeschwindigkeit | ❌ nicht im Formelnheft — selbst herleiten (Schritte 1–2; ausführlich in [[themen/Raumfahrtphysik/2.4#2.4 Fluchtgeschwindigkeit | |
| Dichte | ✅ S. 2 („ | |
| Kugelvolumen | ❌ Mathematik, nicht im Formelnheft — selbst hinschreiben | |
| Lichtgeschwindigkeit | ✅ S. 1 (Konstanten) |
Herleitung (Schritt für Schritt)
A) Schwarzschildradius
- Zuerst die Fluchtgeschwindigkeit herleiten (Energieerhaltung: an der Oberfläche
erhält der Körper genau so viel kinetische Energie, dass er den Potenzialtopf bis verlässt und dort mit ankommt. Die nötige Hubarbeit liefert die Gravitationsenergie von S. 2, mit für ): kürzen und nach auflösen (durch dividieren, mal 2, Wurzel ziehen — die Fluchtgeschwindigkeit ist unabhängig von der Masse des Wurfkörpers): setzen (definierende Bedingung des schwarzen Lochs) (am Ereignishorizont ist die Fluchtgeschwindigkeit genau gleich der Lichtgeschwindigkeit: selbst Licht entkommt gerade nicht mehr. Einsetzen und quadrieren): - Nach
auflösen (beide Seiten mal — der kritische Radius heißt Schwarzschildradius): Jeder Körper hat seinen eigenen : Wird die Masse auf weniger als komprimiert, wird sie zum schwarzen Loch.
Warum nur heuristisch (in der Prüfung unbedingt ansprechen!)
- Licht hat keine Ruhemasse: Schritt 1 behandelt Licht als Wurfkörper der Masse
— für Photonen unzulässig ( kürzt sich zwar, aber die Logik beruht auf dem Bild eines massebehafteten Wurfkörpers). ist bei nicht zulässig: Die klassische kinetische Energie ist nur die Niedriggeschwindigkeits-Näherung; nahe gilt die relativistische Energie (Formelnheft S. 5: ) — die newtonsche Mechanik ist hier ohnehin außerhalb ihres Geltungsbereichs. - Die strenge Herleitung gehört zur ART: 1916 fand Karl Schwarzschild die exakte Lösung der Einstein'schen Feldgleichungen für das kugelsymmetrische Vakuum; der Ereignishorizont liegt bei
. - Gleiches Ergebnis = Zufall: Die newtonsche Rechnung liefert exakt dieselbe Formel — sogar der Faktor 2 stimmt — das ist ein glücklicher Zufall, kein Verdienst der Argumentation. In der Prüfung aktiv darauf hinweisen (Skript-Wortlaut: „glücklicher Zufall").
Rechenbeispiele (mit Probe)
- Erde (
kg, S. 1): - Sonne (
kg, S. 1):
B) Mittlere Dichte eines schwarzen Lochs
- Definition der mittleren Dichte ansetzen (
von S. 2, Volumen = Horizontkugel ): - Zuerst
berechnen (Schritt 4 als Ganzes hoch 3 — Zähler und Nenner getrennt potenzieren): - Einsetzen und vereinfachen (Division durch einen Bruch = Multiplikation mit dem Kehrwert;
kürzt sich einmal, im Nenner bleibt ): Anschaulicher Grund: → Volumen , Masse aber nur → Dichte . Je größer das schwarze Loch, desto kleiner die mittlere Dichte. - Probe: schwarzes Loch von Sonnenmasse (
; ; ): Gegenprobe (ohne Formel, direkt ): m → m³ → kg/m³ ✓ (weit über Kernmateriedichte kg/m³). Größenordnung umgekehrt: supermassives Loch mit → um Faktor kleiner → kg/m³, dünner als Wasser.
Variablentabelle
| Symbol | Bedeutung | SI-Einheit |
|---|---|---|
| Schwarzschildradius (Radius des Ereignishorizonts) | m | |
| Masse des Himmelskörpers / schwarzen Lochs | kg | |
| Wurfkörper (Probemasse, wird gekürzt) | kg | |
| Fluchtgeschwindigkeit | m/s | |
| Abstand des Startpunkts vom Massenmittelpunkt (Oberflächenradius) | m | |
| Start-/Zielabstand in der Gravitationsenergie-Formel | m | |
| mittlere Dichte (innerhalb des Horizonts) | kg/m³ | |
| Volumen der Horizontkugel | m³ | |
| Vakuumlichtgeschwindigkeit | m/s | |
| Gravitationskonstante | N·m²/kg² | |
| Erd-/Sonnenmasse | kg |
Verknüpfungen
- H08 — die Kombination
und „jeder Himmelskörper in derselben Formelmaschine". - Thema 11 §11.7 — Skript-Fassung (inkl. Nachfrage „Ist das streng?", Singularität, LHC-Klage); §11.7 mittlere Dichte.
- Thema 2 §2.4 — vollständige Energieerhaltungs-Herleitung der Fluchtgeschwindigkeit (ausführliche Version der Schritte 1–2).