Gravitationsfeld

Das Gravitationsfeld ist in der Physik das Kraftfeld, das für jeden Ort die durch Gravitation verursachte Kraft auf einen Körper angibt. Das Gravitationsfeld wird durch die Massen und Positionen der vorhandenen Körper bestimmt. In der klassischen Mechanik beruht die Berechnung des Gravitationsfelds auf dem Newtonschen Gravitationsgesetz. Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie wird die Gravitation nicht mehr als Wirkung eines klassischen Feldes aufgefasst, sondern durch eine Krümmung des Raumes beschrieben.

In der physikalischen Literatur findet sich gelegentlich synonym die Bezeichnung Schwerefeld.[1][2] Im strengeren Sinne, insbesondere in der Geodäsie und der Astronomie, ist das Schwerefeld jedoch ein aus Gravitationsfeld und Zentrifugalkraft zusammengesetztes Feld. Es beschreibt die tatsächliche Beschleunigung auf rotierenden Himmelskörpern, wie z. B. der Erde, und wird daher separat im Artikel Schwerefeld behandelt.

Potential und Feld

Das zum Gravitationsfeld gehörende Potential heißt Gravitationspotential. Sein Wert ${\displaystyle \Phi ({\vec {r}})}$ am Ort ${\displaystyle {\vec {r}}}$ lässt sich bei bekannter Massendichte ${\displaystyle \rho ({\vec {r}})}$ durch Lösen der Poisson-Gleichung bestimmen

${\displaystyle \Delta \Phi ({\vec {r}})=4\pi G\rho ({\vec {r}})}$ ,

wobei ${\displaystyle G}$ die Gravitationskonstante ist. So beträgt das Potential um einen näherungsweise punktförmigen oder radialsymmetrischen Körper der Masse ${\displaystyle M}$ beispielsweise

${\displaystyle \Phi (r)=-{\frac {GM}{r}}(+\Phi _{\infty })}$ .

Hierbei ist ${\displaystyle \Phi _{\infty }}$ das Potential im Unendlichen. Es ist eine frei wählbare Integrationskonstante und wird üblicherweise willkürlich auf Null gesetzt. (Für eine ausführliche Herleitung siehe Potential (Physik)).

Multipliziert man das Potential mit der Masse eines Körpers ${\displaystyle m}$ , so erhält man seine potentielle Energie

${\displaystyle V({\vec {r}})=m\,\Phi ({\vec {r}})}$ .

Das Gravitationsfeld ${\displaystyle {\vec {g}}}$ lässt sich als Gradientenfeld des Gravitationspotentials ${\displaystyle \Phi }$ schreiben:

${\displaystyle {\vec {g}}({\vec {r}})=-\nabla \Phi ({\vec {r}})}$

Die vom Feld erzeugte Kraft ${\displaystyle {\vec {F}}_{\mathrm {G} }}$ auf einen Körper der Masse ${\displaystyle m}$ ist dann

${\displaystyle {\vec {F}}_{\mathrm {G} }({\vec {r}})=m\,g({\vec {r}})}$ .

Feldstärke

Der Betrag des Gravitationsfeldes heißt Gravitationsfeldstärke oder Gravitationsbeschleunigung ${\displaystyle g=|{\vec {g}}|}$ . Das Besondere dabei ist, dass die Beschleunigung unabhängig von der Probemasse (der Masse eines Körpers im Feld) ist. Wirken keine weiteren Kräfte, so ist ${\displaystyle {\vec {g}}}$ die exakte Beschleunigung einer Probemasse im Feld.

Eine Punktmasse ${\displaystyle M}$ verursacht wie gesagt das Potential

${\displaystyle \Phi ({\vec {r}})=-{\frac {GM}{r}}}$

und daher das dazugehörige radialsymmetrische Feld mit der Feldstärke

${\displaystyle {\vec {g}}({\vec {r}})=-{\frac {GM}{r^{2}}}{\hat {e}}_{r}}$

In Abständen, die um Größenordnungen größer als die Ausdehnung der Masse sind, kann jede Masse annähernd als punktförmig betrachtet werden. Befindet sich eine Probemasse ${\displaystyle m}$ in diesem Gravitationsfeld, so ergibt sich direkt das Newtonsche Gravitationsgesetz, das der Betrag der wirkenden anziehenden Kraft zwischen den Massenschwerpunkten, die sich im Abstand ${\displaystyle r}$ befinden, ist:

${\displaystyle F_{\mathrm {G} }=mg=m{\frac {GM}{r^{2}}}}$

Da jede beliebig ausgedehnte Masse in (annähernd) punktförmige Teilmassen zerlegt werden kann, lässt sich jedes Gravitationsfeld auch als Summe über viele Punktmassen darstellen:

${\displaystyle {\vec {g}}({\vec {r}})=-G\sum _{i}{m_{i}}{\frac {{\vec {r}}-{\vec {r}}_{i}}{|{\vec {r}}-{\vec {r}}_{i}|^{3}}}}$

wobei ${\displaystyle {\vec {r}}_{i}}$ die Orte der Punktmassen ${\displaystyle m_{i}}$ sind.

Literatur

• Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik 1. Springer, 2006, ISBN 978-3-540-26034-9. 
• Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik. 6. Auflage. Harri Deutsch, Leck 2010, ISBN 978-3-8171-1860-1, S. 124. 

Einzelnachweise

1. ↑ Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik 1. Springer, 2006, ISBN 978-3-540-26034-9. 
2. ↑ Torsten Fließbach: Mechanik. 5. Auflage. Spektrum, München 2007, ISBN 978-3-8274-1683-4.