Entwicklung der Planetentheorien und Gravitation

Ptolemäische geozentrische Modelle

Ptolemaios (auch Claudius Ptolemäus, 86–165) entwickelte ein geometrisches Modell, nach dem die Erde unbeweglich im Zentrum verbleibt und die Planeten um sie kreisen.

• Die Sonne und der Mond umkreisen die Erde in kreisförmigen Bahnen; die Bahnen der anderen Planeten erscheinen immer komplexer.
• Die Planeten, die die Erde umkreisen, beschreiben kleine Kreise (Epizyklen). Der Mittelpunkt dieser kleinen Kreise bewegt sich auf einem größeren imaginären Kreis (Deferent), der die Erde zentriert.
• Diese kleinen Kreise werden Epizyklen genannt; sie erklären die scheinbaren Umfangsbewegungen der Planeten.
• Über all diesen Bereichen gibt es eine Sphäre von Sternen, die sich ebenfalls um die Erde dreht.

Heliozentrische Modelle: Modell des Aristarch

Aristarch von Samos (ca. 310–230 v. Chr.) betrachtete die Sonne als Quelle von Wärme und Leben und als Zentrum des Universums. Erde, Mond und die anderen Planeten kreisen um sie, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und in verschiedenen Umlaufbahnen; die Gestirne wurden auf einer Kugel angeordnet gedacht.

Kopernikus-Modell

Nikolaus Kopernikus (1473–1543) stellte in seinem Modell die Sonne in die Mitte des Universums; die Erde und die anderen Planeten beschreiben kreisförmige Bahnen um sie. Der Mond umkreist die Erde, die sich gleichzeitig um die Sonne dreht.

Galilei-Modell

Galileo Galilei (1564–1642) verbesserte das Teleskop und nutzte es für zahlreiche Beobachtungen, mit denen er viele Entdeckungen machte:

• Der Mond hat Berge und Täler.
• Die Milchstraße besteht aus einer Vielzahl von Sternen.
• Die Sonne zeigt dunkle Flecken (Sonnenflecken).
• Venus zeigt Phasen wie der Mond, was darauf hinweist, dass Venus und Erde um die Sonne kreisen.
• Entdeckung der Monde des Jupiter; Beobachtungen der Ringe des Saturn.

Galileo vertrat stets die Auffassung, dass die Bahnen der Himmelskörper kreisförmig seien.

Keplers Gesetze

Johannes Kepler (1571–1630) nutzte die Daten seines Lehrherrn Tycho Brahe (1546–1601) und kam nach strenger Untersuchung der Planetenbewegungen zu dem Schluss, dass die Bahnen elliptisch und nicht kreisförmig sind. Er formulierte die drei Gesetze der Planetenbewegung:

1. 1. Gesetz: Die Planeten bewegen sich um die Sonne auf elliptischen Bahnen. Die Sonne befindet sich in einem der Brennpunkte der Ellipse.
2. 2. Gesetz: Die Verbindungslinie zwischen Planet und Sonne überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen (Flächensatz).
3. 3. Gesetz: Es besteht eine mathematische Beziehung zwischen der Größe der Umlaufbahn (halbgroße Achse) und der Umlaufzeit: Das Quadrat der Umlaufzeit ist proportional zur dritten Potenz der großen Halbachse.

Isaac Newton (1642–1727) war der Wissenschaftler, der die Ursache der Planetenbewegung klärte und die Grundlagen der Mechanik lieferte.

Gesetz der universellen Gravitation

Nach umfangreichen Studien gelangte Newton zu folgenden Schlüssen: Die Planeten bewegen sich auf elliptischen Bahnen um die Sonne, weil die Sonne eine Anziehungskraft (Gravitationsfeld) auf die Planeten ausübt. Die Gravitationskraft ist universell.

1687 veröffentlichte Newton sein Gravitationsgesetz: Jeder Körper im Universum zieht jeden anderen Körper mit einer Kraft an, die direkt proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands ist.

Folgen des Gesetzes der universellen Gravitation

• Gewicht: Wir definieren das Gewicht als die Gravitationskraft, die die Erde auf einen in ihrer Nähe befindlichen Körper ausübt.
• Gleichgewicht: Ein auf einer Fläche abgestützter Körper steht im Gleichgewicht, wenn die Vertikale durch seinen Schwerpunkt innerhalb der Unterstützungsbasis liegt.

Gezeiten

Die Gezeiten sind das periodische Ansteigen und Sinken des Meeresspiegels, das typischerweise zweimal am Tag auftritt. Sie entstehen durch die Gravitation des Mondes (und in geringerem Maße auch der Sonne), die auf die Erde wirkt.

Die Bewegung der Himmelskörper

Die Planeten bewegen sich um die Sonne aufgrund einer Zentripetalkraft, die durch die Gravitation der Sonne auf sie ausgeübt wird. Mit mathematischen Berechnungen können Vorhersagen über ihre Geschwindigkeit, Position und die Zeit, die sie für eine vollständige Umrundung benötigen, gemacht werden.

Schwerelosigkeit

Ein Körper befindet sich im Zustand der Schwerelosigkeit, wenn auf ihn keine Gewichtskraft wirkt. Das völlige Fehlen von Schwerkraft ist praktisch unmöglich im Universum; dennoch kann ein Zustand der scheinbaren Schwerelosigkeit erreicht werden, wenn materielle Körper sich in freien Fall oder auf einer Bahn um die Erde befinden, z. B. in Raumstationen, die die Erde mit Geschwindigkeiten von mehr als 27.000 km/h umkreisen.

Kräfte und Fluiddrücke

Ein Fluid ist ein Stoff, dessen Teilchen leicht ihre Position wechseln können. Flüssigkeiten und Gase sind Fluide.

• Flüssigkeiten bewegen sich unter dem Einfluss der Schwerkraft und sammeln sich so, dass sie die Form des Behälters von unten her ausfüllen.
• Gase dehnen sich aus und füllen den gesamten verfügbaren Raum des Behälters unabhängig von seiner Form.

Archimedisches Prinzip

Dieses Prinzip besagt, dass ein Körper, der in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, eine Auftriebskraft erfährt, die gleich dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit ist.