Arbeit im Gravitationspotential

Herleitung und energetische Betrachtung

Grafische Illustration zum Gravitationspotential
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Vektorgrafik des Gravitationsfeldes
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\[\begin{array}{l}W = \vec F \cdot d\vec s\\\vec F = - {{\vec F}_G}\\d\vec s = d\vec r\\dW = - {{\vec F}_G} \cdot d\vec r = - {F_G} \cdot ( - {{\vec e}_y}) \cdot dr \cdot ({{\vec e}_y}) = {F_G} \cdot dr\\dW = \gamma mM{r^{ - 2}} \cdot dr\\\Delta {E_{pot}} = {E_{pot}}(2) - {E_{pot}}(1) = \left. { - \gamma mM{r^{ - 1}}} \right|_{{r_1}}^{{r_2}} = - \gamma mM\left( {\frac{1}{{{r_2}}} - \frac{1}{{{r_1}}}} \right)\\{r_1} \to \infty \Rightarrow V = - \gamma M{r^{ - 1}}\\E = \frac{1}{2}m{v^2} - \frac{{\gamma Mm}}{{{R_E}}} = 0\end{array}\]

📐 Formelzeichen:

$\gamma$: Gravitationskonstante $m, M$: Massen $r$: Abstand $v$: Geschwindigkeit $R_E$: Erdradius

🚀 Wissen vertiefen: Fluchtgeschwindigkeit

Setzt man die Gesamtenergie $E = 0$ (Grenze zum unendlichen Abstand bei verschwindender Geschwindigkeit), lässt sich die nötige Startgeschwindigkeit (2. kosmische Geschwindigkeit) direkt berechnen:

\[\frac{1}{2}mv^2 = \frac{\gamma Mm}{R_E} \implies v_{esc} = \sqrt{\frac{2\gamma M}{R_E}}\]

Für die Erde ergibt dies einen Wert von ca. $11{,}2\,\text{km/s}$, den ein Objekt unabhängig von seiner Masse $m$ benötigt, um das Gravitationsfeld komplett zu verlassen.

❓ Mini-Quiz

Was bedeutet das Minuszeichen im Gravitationspotential?