Warum fallen Feder und Stein gleich schnell?

Der freie Fall: Warum Feder und Stein im Vakuum gleich schnell fallen

Die Vorstellung, dass eine Feder langsamer fällt als ein Stein, ist tief in unserer Alltagserfahrung verankert. Doch diese Beobachtung täuscht. Sie ist ein Produkt des Luftwiderstands, der die Feder stärker bremst als den Stein. Eliminiert man diesen Einfluss, offenbart sich ein grundlegendes Prinzip der Physik: Im Vakuum fallen alle Objekte gleich schnell.

Der Schlüssel zum Verständnis liegt im Wesen der Gravitation. Die Erde zieht alle Objekte mit einer Kraft an, die proportional zu ihrer Masse ist. Gleichzeitig ist aber auch der Widerstand gegen eine Beschleunigung, die Trägheit, proportional zur Masse des Objekts. Diese beiden Effekte heben sich gegenseitig auf.

Vereinfacht ausgedrückt: Ein schwerer Stein erfährt zwar eine größere Anziehungskraft, benötigt aber aufgrund seiner höheren Trägheit auch mehr Kraft, um beschleunigt zu werden. Eine leichte Feder wird zwar schwächer angezogen, lässt sich aber aufgrund ihrer geringeren Trägheit auch leichter beschleunigen. Das Ergebnis: Beide Objekte erfahren im Vakuum die gleiche Beschleunigung – ungefähr 9,81 m/s² – und fallen somit gleich schnell.

Dieses Prinzip, die Äquivalenz von träger und schwerer Masse, ist ein Eckpfeiler der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein. Galileo Galilei demonstrierte dieses Phänomen bereits im 17. Jahrhundert, angeblich mit Kugeln unterschiedlicher Masse vom schiefen Turm von Pisa. Obwohl die historische Genauigkeit dieser Anekdote umstritten ist, wurden die Ergebnisse später in präziseren Experimenten, unter anderem auch mit Federn und Hämmern im Vakuum auf dem Mond, eindrucksvoll bestätigt.

Der Luftwiderstand, der im Alltag die Fallgeschwindigkeit beeinflusst, hängt von Faktoren wie der Form, Oberfläche und Dichte des Objekts ab. Eine Feder bietet der Luft eine große Angriffsfläche und wird daher stark abgebremst. Ein kompakter Stein hingegen erfährt einen wesentlich geringeren Luftwiderstand.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Die vermeintlich unterschiedliche Fallgeschwindigkeit von Feder und Stein ist kein Effekt der Gravitation, sondern eine Folge des Luftwiderstands. Im Vakuum, wo dieser Widerstand entfällt, offenbart sich die fundamentale Gleichheit des freien Falls – ein faszinierendes Beispiel für die Eleganz und Tiefgründigkeit der physikalischen Gesetze.