Objekte im Orbit

Heute im PHYSIKUNTERRICHT: Schwerkraft und Umlaufbahnen ✔ | Kometen im Orbit ✔ | Satelliten im Orbit ✔

Schwerkraft und Umlaufbahnen

Ohne eine Kraft, die auf sie einwirkt, würden Planeten, Monde oder irgendwelche anderen Objekte in gerader Linie durch den Raum fliegen. Um sich auf einer runden Umlaufbahn zu bewegen, muss eine nach innen gerichtete Kraft auf diese Objekte wirken. Diese Kraft ist die Schwerkraft oder Gravitation.

Zwischen allen Massen besteht eine Anziehungskraft. Bei Alltagsgegenständen ist diese Kraft viel zu schwach, um sie überhaupt messen zu können, aber bei so massiven Objekten wie einem Mond oder Planeten ist sie so beträchtlich, dass sie deren Bewegung steuert.

Die Gravitation nimmt mit der Entfernung ab. Isaac Newton fand heraus, dass die Gravitation einem umgekehrten Abstandsgesetz gehorcht: die Verdopplung des Abstands zwischen zwei Massen reduziert die Gravitationskraft zwischen ihnen auf ein Viertel ... und so weiter.

Kometen im Orbit

Kometen haben stark elliptische Umlaufbahnen. Hier ist ein Beispiel:


Das Orbit des Halleyschen Kometen
Die Umlaufbahn des Halleyschen Kometen. An den Positionen und Jahreszahlen kannst du sehen, dass der Komet schneller wird, wenn er sich der Sonne nähert, und langsamer, wenn er sich wieder entfernt.

Satelliten im Orbit

Jedes Objekt in der Umlaufbahn eines massereicheren Objekts wird als Satellit bezeichnet. Der Mond ist also ein natürlicher Satellit der Erde. Wenn jedoch von "Satelliten" gesprochen wird, meint man für gewöhnlich künstliche Satelliten, die von der Erde aus gestartet werden.

Es gibt Hunderte von künstlichen Satelliten im Orbit um die Erde. Die meisten befinden sich auf einer kreisförmigen Umlaufbahn. Ein Satellit in einer niedrigen Umlaufbahn benötigt eine höhere Geschwindigkeit, um nicht auf die Erde zu stürzen. Zum Beispiel muss ein Satellit in einer Höhe von 300 km - knapp über der Erdatmosphäre - 29.100 $\mathrm {\frac {km}{h}}$ schnell sein, um seine kreisförmige Umlaufbahn aufrechtzuerhalten. Bei dieser Geschwindigkeit dauert es 86 Minuten, um die Erde einmal zu umkreisen. Das ist die Periode der Umlaufbahn. Eine höhere Umlaufbahn erfordert eine niedrigere Geschwindigkeit und die Zeit für eine Umlaufperiode ist länger.


Umlaufbahn eines geostationären Satellieten
Um geostationär zu sein, muss ein Satellit 35.900 km über dem Äquator in eine kreisförmige Umlaufbahn gebracht werden. Die erforderliche Geschwindigkeit beträgt 11.100 $\mathrm {\frac {km}{h}}$.

Geostationärer Satellit
Ein Satellit in einer geostationären Umlaufbahn erscheint immer in derselben Position relativ zum Boden, weil die Periode seiner Umlaufbahn - 24 Stunden - mit der Periode der Erdrotation übereinstimmt.

Kommunikationssatelliten übertragen Radio-, Fernseh- und andere Signale von einem Teil der Erde zum anderen. Satelliten wie diese werden normalerweise in eine geostationäre Umlaufbahn gebracht: Ihre Bewegung stimmt genau mit der Erdrotation überein, so dass sie stationär relativ zum Boden erscheinen. Satellitenschüsseln auf dem Boden müssen sie daher nicht verfolgen, sondern können in eine feste Richtung zeigen.

Navigationssatelliten werden von Booten und anderen Fahrzeugen verwendet, um ihre Positionen zu bestimmen. Das Global Positioning System (GPS) verfügt über ein Netzwerk von Satelliten, die synchronisierte Zeitsignale übertragen. Unten am Boden nimmt ein Empfänger die Signale von verschiedenen Satelliten auf, vergleicht deren Ankunftszeiten und berechnet anhand der Daten die Position auf wenige Meter genau.


GPS Receiver
Ein Soldat mit einem GPS-Empfänger. Die Anzeigen auf dem Display geben ihm seine Position an.

Überwachungssatelliten, wie Wettersatelliten oder Spionagesatelliten, enthalten Kameras oder andere Detektoren zum Scannen und Vermessen der Erde. Einige sind in niedrigen Umlaufbahnen, die über den Nord- und Südpol verlaufen. Wenn sich die Erde unter ihnen dreht, können sie die gesamte Oberfläche abtasten.

Astronomiesatelliten, wie das Hubble-Weltraumteleskop, enthalten Geräte zur Beobachtung ferner Sterne und Galaxien. Im Gegensatz zu Observatorien auf der Erde wird das Licht oder eine andere Strahlung, die sie empfangen, nicht durch die Atmosphäre gestört oder abgeschwächt.


Fragen

1. Das Diagramm oben zeigt die Umlaufbahn des Halleyschen Kometen um die Sonne. An welchem Punkt ...

  1. ... ist die Anziehungskraft der Sonne auf den Kometen am größten?
  2. ... ist die Anziehungskraft der Sonne auf den Kometen am kleinsten?
  3. ... hat der Komet die größte Geschwindigkeit?
  4. ... hat der Komet die geringste Geschwindigkeit?

Richtig ist:

  1. wenn er der Sonne am nächsten ist. Zuletzt war das im Jahr 1986.
  2. wenn er von der Sonne am weitesten entfernt ist.
  3. wenn er der Sonne am nächsten ist.
  4. wenn er von der Sonne am weitesten entfernt ist.

2. Fragen zur geostationären Umlaufbahn

  1. Was ist eine geostationäre Umlaubahn?
  2. Wie lange braucht ein Satellit in einer geostationären Umlaufbahn, um die Erde einmal zu umkreisen?
  3. Warum werden Kommunikationssatelliten normalerweise in eine geostationäre Umlaufbahn gebracht?

Richtig ist:

  1. bei einer geostationären Umlaufbahn dreht sich ein Satellit in der gleichen Zeit um die Erde, wie die Erde benötigt, um sich einmal um ihre eigene Achse zu drehen.
  2. 24 Stunden - genau so lange wie die Erde braucht, um sich einmal um ihre Achse zu drehen.
  3. Damit die Empfangsantennen auf der Erde nicht pausenlos auf den Satelliten ausgerichtet werden müssen!
Ein Satellit in einer geostationären Umlaufbahn erscheint immer in derselben Position relativ zum Boden, weil die Periode seiner Umlaufbahn - 24 Stunden - mit der Periode der Erdrotation übereinstimmt.

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