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Thema: Physik: Gravitation <--> Energieerhaltung

  1. #1
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    Standard Physik: Gravitation <--> Energieerhaltung

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    Hallo allerseits,

    ich hätte mal eine grundsätzliche Frage:

    Laut dem Energieerhaltungssatz kann Energie weder erschaffen noch vernichtet werden.

    Folgender Mechanismus: eine Gaswolke kollabiert und formt einen Proto-Stern, die Fusion startet und wir haben einen richtigen Stern. Der Start der Fusion wird durch die großen Drücke im Zentrum verursacht.

    Die Frage ist: woher kommt die Energie für diese Erhitzung? Aus der kinetischen Energie der einstürzenden Teilchen? Oder aus der Gravitation, die die Teilchen zusammenpresst? Falls letzteres: woher bezieht die Gravitation dann ihre Energie um diese Arbeit zu leisten? Wie erklärt man sich das?

    Grüße,
    Frankie

  2. #2
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    Standard

    Zitat Zitat von Frankie Beitrag anzeigen
    Wie erklärt man sich das?
    Hallo Frankie,

    einen gewissen Einstieg in diese Thematik bilden die Begriffe kinetische und potentielle Energie. Ganz wesentlich ist dabei die Vorstellung, dass beide Energieformen ineinander transformiert (umgewandelt) werden können. Betrachet man z.B. ein Probeteilchen mit einer kleine Masse m_1 so wird z.B. beim freien Fall dieses Teilchens im Gravitationsfeld einer sehr großen Masse (Planet, Stern usw.) potentielle Energie in kinetische Energie verwandelt.

    Grob gesprochen gewinnt ebenso eine interstellare Gaswolke bei der Bildung eines Protosterns (Kontraktion der Gas- und Staubwolke) aus potentieller Energie kinetische Energie. Die einzelnen Gasmoleküle werden also beschleunigt und heizen damit die Gaswolke auf.

    Links dazu:
    http://de.wikipedia.org/wiki/Jeans-Kriterium
    http://relativ-kritisch.net/forum/viewtopic.php?t=1488 (mit Anwendung auf eine ganze Galaxie)
    MfG

  3. #3
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    Hallo Bernhard, danke für die Antwort...

    Der Zusammenhang zwischen kinetischer und potentieller Energie ist mir schon klar... die "Zündung" kann ich mir so vorstellen, die Frage zielte aber auf folgendes:

    Nehmen wir die anfängliche Gaswolke und denken wir uns die die stabil. Nun greift die Gravitation und beschleunigt die Teilchen nach innen. Zum Beschleunigen eines massebehafteten Teilchens muß aber Arbeit aufgewendet werden, und das geht doch m.E. nicht ohne Energie. Das wiederum würde bedeuten daß Gravitation Energie benötigt, um zu wirken. Wo kommt die her?

    Eigentlich kann man die Frage auch grundsätzlich für alle 4 physikalischen Kräfte stellen: woher kommt die Energie, die die eine Kraft "arbeiten" läßt?

    Grüße,
    Frankie

  4. #4
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    Nachsatz: ich stelle grade fest, daß die Gesamtenergie eines Körpers die Summe aus potentieller und kinetischer Energie ist. Diese Summe bleibt immer gleich... also stimmt die Erhaltung der Energie. Es muß auch nicht in dem Sinn Arbeit verrichtet werden, da die ja nur gebraucht wird um etwas entgegen der Trägheit (bzw. eben der Gravitation) zu halten oder zu bewegen.

    Trotzdem: gibt es eine Kraft ohne daß Energie verbraucht wird?
    Geändert von Frankie (23.02.2010 um 21:42 Uhr)

  5. #5
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    Standard

    Hi Frankie:
    Zitat Zitat von Frankie
    Trotzdem: gibt es eine Kraft ohne das Energie verbraucht wird?
    Diese Frage beantworte ich mal mit einem Zitat von Frankie aus diesem thread :
    Zitat Zitat von Frankie
    Laut dem Energieerhaltungssatz kann Energie weder erschaffen noch vernichtet werden.
    Energie kann man also nicht "verbrauchen". Man kann sie nur von einer Form in eine andere umwandeln. Sei es von potenzieller in kinetische Energie, sei es von kinetischer Energie in Wärme (was im Prinzip eigentlich dasselbe ist), sei es von Wärme in Strahlung.

    Bernhard hat Dir oben den link zum Jeans-Kriterium gegeben. Falls Du den Artikel noch nicht gelesen hast, dann empfehle ich ihn Dir "wärmstens" (das verstehst Du dann, wenn Du ihn gelesen hast )

    Im Prinzip läuft es so ab: eine interstellare Wolke hatte zu irgendeinem Zeitpunkt X nach dem Urknall eine bestimmte Energie, die sie in der Form stabilisiert hat, in der sie sich zum Zeitpunkt X eben zeigt. Sie hat Temperatur, sie hat Masse, sie hat Ausdehnung.

    Durch Strahlung gibt sie Energie an den interstellaren Raum ab und wird allmählich kälter. Genauso wie ein Gas, das abkühlt, sich zusammenzieht, zieht sich die Wolke nun zusammen. Nach dem Jeans Kriterium gibt es eine kritische Kombination von Masse, Ausdehnung und Temperatur, die eine solche Wolke sich nun nicht nur rein thermisch zusammenziehen lässt, sondern in einen Kollaps übergeht.

    Gase, die zusammengepresst werden - hier durch den gravitativen Kollaps - erhitzen sich. Die Erhitzung ist eine Folge der Instabilität, die den Kollaps verursacht haben. Deswegen dehnt sich die kollabierende Wolke auch durch die Erhitzung nicht wieder aus. Der Kollaps würde bis zum weißen Zwerg, Neutronenstern oder schwarzen Loch weitergehen, wenn nicht eine neue Energie frei würde: die einsetzende Fusion. Nun wird also Energie, gebunden in den Atomkernen, freigesetzt und stabilisiert den Kollaps ... ein Stern ist entstanden.

    (Habe das Jeans Kriterium schon ne Weile nicht mehr angesehen. Hoffentlich habe ich nicht zu viele Fehler gemacht *g*)
    Much more attention has been paid to carbon organic chemistry than to silicon organic chemistry, largely because most biochemists we know are of the carbon, rather than the silicon, variety (Carl Sagan)

  6. #6
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    Addendum:
    Zitat Zitat von Frankie
    Trotzdem: gibt es eine Kraft ohne das Energie verbraucht wird?
    Kraft alleine setzt keine Energie um, sondern Arbeit, also Kraft mal Weg.
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  7. #7
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    Standard

    Hallo jonas,
    Zitat Zitat von jonas Beitrag anzeigen
    (Habe das Jeans Kriterium schon ne Weile nicht mehr angesehen. Hoffentlich habe ich nicht zu viele Fehler gemacht *g*)
    passt wunderbar. Du bist mir zuvorgekommen.

    Grüsse galileo2609
    RelativKritisch | Pseudowissenschaft auf dem Sezierteller

  8. #8
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    Danke für die vielen Erklärungen... eine letzte Frage bleibt mir noch.

    Angenommen 2 einzelne massebehaftete Teilchen in einem Vakuum haben einen gewissen Abstand voneinander. Es gibt keine sonstigen Einflüsse. Durch ihre Masse wirkt wechselseitig Gravitation. Hierdurch werden die Teilchen doch aufeinander zu beschleunigt, oder? Ok, Einstein sagt Masse krümmt den Raum... dadurch kann man sich vorstellen daß die Teilchen sozusagen auf kürzestem Weg einen Abhang herunterkullern, und daß keine äußere Krafteinwirkung als Anstoß nötig ist.

    Was ist die derzeitige Erklärung für den Vorgang, daß Masse den Raum gekrümmt? Wirkt hierbei eine Kraft? Oder gibt es Kraft nur im Raum, aber nicht am Raum? Erklärt unser Einstein beobachtete Vorgänge, die Fakten eben, ohne daß man deren Grund weis? Oder bestehen da Erklärungsversuche?

    Ich glaube jetzt hab ich gefragt was ich wirklich wollte... das vorige war eher deshalb, weil mir bisher der Kern der Frage selbst noch nicht klar war.

    Grüße,
    Frankie

  9. #9
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    Hi Frankie

    Ich bin jetzt schon etwas müde, daher wird meine Antwort eher kurz ausfallen und für Dich, so fürchte ich, auch eher unbefriedigend.
    Zitat Zitat von Frankie
    Was ist die derzeitige Erklärung für den Vorgang, daß Masse den Raum krümmt?
    Gegenfrage: Was ist der Grund dafür, daß ein Sack Federn viel leichter ist als ein Sack Steine?

    Antwort: gute Frage, nächste Frage. *g* Es ist die Eigenschaft der Materie schwer zu sein. Manche Materie ist jedoch schwerer als andere. Warum das so ist kann man nicht sagen, es ist einfach so. Und man braucht mehr Kraft einen Sack voll Steine einen Hügel hinaufzutragen, damit man damit ein Haus bauen kann, als den Sack Federn, den man dann später hinaufträgt, um im Haus ein Bett zu bauen.

    Was ich damit sagen will: Die Physik ist, wie viele Naturwissenschaften, zuerst beschreibend und erst viel später erklärend. Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt also erstmal, daß Masse den Raum krümmt. Eigentlich hat sie es zuallererst nur behauptet, und erst später wurde dies dann durch Beobachtungen bestätigt.

    Warum fällt der Stein zu Boden? Man stellte fest, daß der Stein zu Boden fällt, aber nicht warum. Newton postulierte den Grund, weil der Stein Masse hat, auch die Erde Masse hat, und Massen zueinander streben. Die ist eine Erklärung für den Grund, warum der Stein fällt.

    Warum streben Massen zueinander? Einstein postulierte, daß Massen sich entlang der Raumzeitgeodäten bewegen, und die Raumzeit gekrümmt ist, und zwar durch die Massen.

    Warum Massen aber die Raumzeit krümmen ist somit die nächste Frage, die sich stellt. Man kennt die Antwort zur Zeit noch nicht. Man weiß nur, daß es (wahrscheinlich) so ist, aber noch nicht warum. Genauso wie man vor Newton wusste, daß der Stein zu Boden fällt, aber noch nicht warum.

    Vielleicht kenne nur ich noch nicht den Grund dafür, warum Massen den Raum krümmen, und was den Raum dazu veranlasst bei Krümmung die Zeit zu verzerren. Aber es scheint so, als ob dies gerade die aktuelle Frage des Kindes ist: warum ist es so wie es ist?
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  10. #10
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    Na die Antwort war doch schon ganz gut, und gar nicht unbefriedigend für mich. Ich frage mich in dem Zusammenhang, ob all die Quanten-irgendwas-Theorien auch nur Berechnungsversuche sind... eigentlich dachte ich nämlich oft, daß man nur mit einer Formel (Newton) anfangen muß um dann nach Korrekturen bei Einstein zu landen. Alles nach der Intuition und später Beobachtung. Irgendwann gibts wieder Beobachtungen die nach Korrekturen verlangen... aber ich vermute man kann viel rechnen und korrigieren ohne mit den dahinterliegenden Sachverhalten irgendwie weiterzukommen.

    Irgendwie ist das schon alles eher philosophisch. Kann es sein, daß wir irgendwann alle Korrekturfaktoren des uns physikalisch zugänglichen Makro- und Mikrokosmos kennen, ohne den zugrundeliegenden Zusammenhang zu erkennen, weil das unmöglich ist? Das wäre schade... oder anders herum: was haben wir eigentlich wirklich schon von Grund auf verstanden in der Physik?

    Grüße,
    Frankie

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