Warum fallen Dinge gleich schnell?

Der freie Fall: Warum fallen Dinge gleich schnell? – Ein Mythos und seine wissenschaftliche Erklärung

Der weit verbreitete, intuitive Glaube, dass schwerere Gegenstände schneller fallen als leichtere, ist ein Trugschluss. Diese vermeintliche Beobachtung lässt sich leicht durch alltägliche Erfahrungen erklären: Ein Blatt Papier fällt deutlich langsamer als ein Stein. Doch diese Erfahrung täuscht, denn sie vernachlässigt einen entscheidenden Faktor: den Luftwiderstand.

Die scheinbar unterschiedlichen Fallgeschwindigkeiten sind nicht auf unterschiedliche Anziehungskräfte der Erde zurückzuführen, sondern auf die Reibung mit der Luft. Die Luftreibung wirkt dem Fall entgegen und ist abhängig von Faktoren wie der Form, der Oberfläche und der Größe des fallenden Objekts. Ein Blatt Papier bietet aufgrund seiner großen Oberfläche und geringen Masse einen hohen Luftwiderstand, während ein kompakter Stein wesentlich weniger beeinflusst wird.

Der Beweis im Vakuum:

Um den tatsächlichen Einfluss der Erdanziehungskraft auf den freien Fall zu demonstrieren, müssen wir den Luftwiderstand eliminieren. Dies gelingt in einem Vakuum, einem luftleeren Raum. Berühmte Experimente, beispielsweise mit einer Feder und einem Hammer im Vakuum des Mondes durch die Apollo-Astronauten, zeigen eindrucksvoll, dass im luftleeren Raum alle Körper, unabhängig von ihrer Masse oder Form, mit der gleichen Geschwindigkeit fallen.

Die Beschleunigung, die auf die Körper wirkt, ist die Erdbeschleunigung g, mit einem ungefähren Wert von 9,81 m/s². Diese Erdbeschleunigung ist eine Konstante und wirkt auf alle Körper gleich. Das bedeutet, dass die Fallgeschwindigkeit eines Körpers im freien Fall linear mit der Zeit zunimmt. Nach einer Sekunde beträgt die Geschwindigkeit ca. 9,81 m/s, nach zwei Sekunden 19,62 m/s und so weiter. Diese lineare Zunahme der Geschwindigkeit gilt solange, bis der Körper auf eine Oberfläche trifft.

Die Rolle der Masse:

Die entscheidende Erkenntnis ist, dass die Erdanziehungskraft zwar proportional zur Masse des Körpers ist (je größer die Masse, desto größer die Anziehungskraft), aber gleichzeitig die Trägheit des Körpers ebenfalls proportional zur Masse ist. Die Trägheit beschreibt den Widerstand eines Körpers gegen eine Änderung seines Bewegungszustandes. Die größere Masse, die eine größere Anziehungskraft erfährt, bietet gleichzeitig einen gleich großen Widerstand gegen die Beschleunigung. Diese beiden Effekte heben sich gegenseitig auf, wodurch die Beschleunigung für alle Körper im freien Fall gleich bleibt.

Fazit:

Der scheinbar einfache Vorgang des Fallens verbirgt eine tiefgreifende physikalische Gesetzmäßigkeit: Die Erdanziehungskraft wirkt auf alle Körper gleich, und im Vakuum fallen alle Körper mit der gleichen Geschwindigkeit. Nur der Luftwiderstand führt zu den im Alltag beobachteten Unterschieden in den Fallgeschwindigkeiten. Das Verständnis dieses Prinzips ist fundamental für die klassische Mechanik und unser Weltbild.