Wohin wird der Treibstoff beim Flug gedrückt?

Zitat

Aber natürlich tut es das. Bereits wenn du du einen vollen Eimer wirfst, hast Du für den kurzen Moment des Wurfes Schwerelosigkeit im Eimer. Dazu bedarf es keineswegs einer Umlaufbahn um die Erde

Mhhh... bist Du dir da sicher? Wirkt nicht zumindest eine aerodynamische Bremskraft. Ich wollte ohnehin eine Frage stellen, das ist jetzt wohl die Gelegenheit: Ein Fallschirmspringer müsste doch dann, solange der Fallschirm geschlossen ist, auch schwerelos sein. Ich bin noch nie gesprungen, habe aber auch noch nie von Schwerelosigkeit in dem Zusammenhang gehört. Der Fallschirmspringer wird aber sicherlich auch von der von ihm "durchfallenen" Luft abgegbremst, hier wirkt also auch eine Kraft (ist es wirklich eine Kraft?).

Beim Parabelflug stelle ich mir das deswegen anders vor, weil in der Kabine diese Reibung an der Luft fehlt.

Du hast vollkommen Recht: die Luftreibung verfälscht hier das Ergebnis, sowie sie merkbar wird. Deswegen hatte ich ja an anderer Stelle auch auf die aerodynamischen Einflüsse hingewiesen, welche nicht nur simple Reibung, sondern etwa auch Auftrieb sein können.

So, dann schreibe ich doch auch mal etwas. Ist ja doch eine recht wilde Diskussion. ;-)

Bleibt aber dennoch meine Frage mit der ISS. Die befindet sich ja ein gleichförmiger Bewegung (nehme ich mal an).

Das kommt drauf an, welches Bezugssystem (frame of reference) du verwendest. Von außen betrachtet ist es keine gleichförmige Bewegung. Die ISS ändert ja ihre Richtung ständig. Hier kann man es so sehen, dass sie um die Erde fällt. Da sie sich im freien Fall befindet ist sie schwerelos. (Dies ist aber eine sehr gefährliche Betrachtung.)

Auf die ISS wirkt also immer die Gravitationskraft der Erde. Diese ist senkrecht zur Flugrichtung. Von der ISS aus betrachtet sieht es wie folgt aus:

• Nehmen wir an die ISS fliegt nach rechts. Man kann also einen Geschwindigkeitsvektor nach rechts daran Zeichen.
• Die Erdanziehung wirkt nach unten. Also einen Beschleunigungsvektor nach unten. Die Beschleunigung berechnet sich als G*m_Erde/r². (G: Graviationskonstante, r: Abstand von der Erdmitte, also Erdradius+Bahnhöhe der ISS). Setzt man alle Werte ein erhält man 8.83 m/s².
  
• Nun betrachten wir aber ein beschleunigtes System. (Kein Inertialsystem.) Deshalb muss eine fiktive Kraft eingefügt werden. Bei einer Kreisbahn wirkt diese Kraft - die Fliehkraft immer vom Mittelpunkt des Kreises weg. In unserem Fall also nach oben. Die Fliehkraft, oder Radial-/Zentrifugalkraft, berechnet sich als m*v²/r. Die entsprechende Beschleunigung ist dann v²/r. Die ISS fliegt mit etwa 7706m/s und hat einen Abstand von der Erdmitte von etwa 6.718.000m. (Erdradius + Bahnhöhe). Das ergibt dann eine Beschleunigung von 8.84m/s² nach oben.
  
• Wir haben also einen Beschleunigungsvektor nach oben und einen nach unten. Beide Beschleunigungsvektoren sind gleich groß. Das System wird insgesamt also nicht beschleunigt. Der Geschwindigkeitsvektor bleibt also unverändert.

Das ganze hätte man natürlich auch mit Kräften machen können. Dann hätte man jede Beschleunigung mit der Masse der ISS multipliziert.

(Edit: Rächtsschreibung flüchtig korrigiert.)

So, nun zum Treibstoffproblem. Erstmal etwas allgemeines:

Stellt euch eine Kugel in der Schwerelosigkeit vor. Sie befindet sich in der Mitte des Tanks. Alles ist schwerelos, es wirken keine Kräft, es wird nix passieren.
Nun beschleunigen wir den Tank (üben auf ihn eine Kraft aus). Auf die Kugel wirken weiterhin keine Kräfte. Der Tank bewegt sich also (sagen wir: nach oben), die Kugel bewegt sich absolut gesehen nicht. Vom Tank aus gesehen bewegt sich die Kugel nun nach unten, bis sie dessen Boden berührt.
Nun betrachten wird das ganze vom Bezugssystem des Tanks aus. Dazu ziehen wir die Kräft, die auf den Tank wirken von allen Objekte ab. Wir ziehen als die "Kraft die auf den Tank wirkt" von der "Kraft die auf den Tank wirkt" ab. Es bleibt nix. Auf den Tank wirkt aus diesem Bezugssystem keine Kraft.
Auf die Kugel wirkte vorher keine Kraft. Hiervon wird nun aber die Kraft, die (von außen betrachtet) auf den Tank wirkt abgezogen.
Die Kugel erfährt also vom Tank aus gesehen eine Kraft, die genau so groß ist, wie die Kraft die von außen gesehen auf den Tank wirkt. Beide Kräft wirken aber in entgegensetzte Richtung.

Vom Tank aus betrachtet sieht es nun wie folgt aus: Der Tank ist in ruhe. Auf ihn wirkt keine Kraft. Die Kugel wird aber beschleunigt.
Genau das passiert mit dem Treibstoff, wenn der Shuttle-Tank auf der Erde steht. Auf ihn wirkt eine Kraft - die Gravitation. Es ist das gleiche, als würde der Tank nach oben beschleunigt.

Im vorherigen Beispiel können wir aber nun die Kraft, die auf den Tank wirkt beliebig in Betrag und Richtung ändern. Die Kugel wird immer entsprechend stark in die entgegensetzt Richtung beschleunigt. Genau so ist es mit dem Treibstoff.

Ich habe hierbei mit Absicht hauptsächlich davon gesprochen, dass die Kugel nicht auf dem Boden des Tanks liegt/rollt, da man sich so die Beschleunigung besser vorstellen kann. Berühren sich Tank und Kugel/Flüssigkeit üben sie gegenseitig Oberflächenkräfte aufeinander aus. Was man eigentlich nur beachten muss, ist, dass die Kugel sich immer entgegen der auf den Tank wirkenden kraft bewegen will.

PS: Ich hoffe das ist auch ohne Bilder verständlich. Wenn nötig kann ich aber auch mal gucken, ob ich es mit dem gimp hin bekomme.
PPS: Die Transformation zwischen beschleunigten Bezugssystem wird übrigens unter Trägheitskraft bei Wikipedia beschrieben.

Nachtrag: Das wohl wichtigste habe ich jetzt nur nebenbei gesagt. Vergesst die Gravitation. Tut so, als würde der Tank mit 1g nach oben beschleunigt (also ein Kraft auf ihn wirken). Das erspart viel arbeit.

(Edit: Rechtschreibung flüchtig korrigiert.)

  Hy @Dion,

wenn es keiner tut tu ichs eben, sei gegrüßt im Forum herzlich willkommen.

Also dann erst einmal vielen Dank für deine Darstellung, aber ganz einverstanden bin ich damit nicht, denn:

Wenn die Masse in der Geschwindigkeit gleich bleibt dann wird die sehr wohl von der Gravitation beeinflusst, nimmt die Beschleunigung (Edit:>in der Bogenbahn< zu wird die Gravitation größten Teils aufgehoben, ist dann gar die Flugbahn nicht gerade sondern gebogen dann wirkt sogar die Fliehkraft zunehmend.

Je höher die Geschwindigkeit wird desto höher wird die Fliehkraft, nur so kann z.B. die Iss oben bleiben.

Das Beispiel mit der Kugel passt schon, aber nur solange bis der Vektor Kraft  übergeben wurde.

Viel Spaß wünsch ich Dir bei uns.

Gruß

P.S. Ein kleine Tipp, falls Du Firefox benutzt dafür gibt es ein PlugIn für die Rechtschreibung, das Hilft ein wenig. >Klick< ( Mir Hilft die auch )

Edit: Sorry @Dion ich habe gerade gesehen das Du schon länger hier bist als ich, aber erst Heute etwas schreibst.  

@Booster: Ui, war ja schon recht viel. Danke für den Hinweis. Ich habe mal das unterstrichene korrigiert. Für mehr nehme ich mir aber nicht die Zeit, denn ich muss morgen arbeiten. ;-)

Über deinen Einwand muss ich aber noch mal nachdenken.
Allerdings kann man über die Transformation der Koordinatensysteme auch die Schwerelosigkeit auf der ISS erklären. Man muss den Vektor sicher mit einbeziehen (am besten wohl nach oben abschätzen), aber grundsätzlich sollte es so gehen. Ich werde mal darüber schlafen.

PS: Trotzdem danke für die Begrüßung. Auch wenn ich schon lange mitlese, willkommen wurde ich noch nicht geheißen.

Wow - kaum guckt man mal nen Tag nicht hin ist das Thema schon eine Seite weiter ...

@ Daniel

@macbeth

Das Argument mit der ISS und der Umlaufbahn zählt nicht, bzw. dort herrscht nicht Schwerelosigkeit weil alles gleich stark angezogen wird, sondern weil es sich mit dern Fliehkraft die Waage hält.

Wenn ich im Physikuntericht damals richtig aufgepasst habe gibt es bei der ISS zählen bei der ISS eine Zentripetalkraft (Kraft, die zum Kreismittelpunkt hin wirkt) - diese Rolle übernimmt freundlicherweise die Gravitation - sowie die Massenträgheit. Die Fliehkraft selbst ist eine Scheinkraft (ergo: es gibt sie nicht) die aus der Massenträgheit und der Zentripetalkraft resultiert. Und selbst diese tritt in der ISS (fast) nicht auf, da die Gravitation gleichmäßig auf alle Bestandteile der ISS wirkt. (Ich habe da oben noch nichts an der Decke kleben sehen.)
Stell Dir vor, Du sitzt auf einem Kettenkarussell und glaubst die Fliehkraft zieht Dich nach außen. In Wirklichkeit ist Dein Körper nur etwas 'träge' und will viel lieber gradeaus und das Kettenkarussell zwingt ihn auf eine Kreisbahn.

Flugzeuge beschleunigen nicht die ganze Zeit gegen den Boden, sondern das Gegenteil machen sie, sie gleichen die Gewichtskraft durch Auftrieb aus und beschleunigen wegen keiner resultierenden Kraft nicht. Beschleunigen heißt: Änderung des Geschwindigkeitsvektors.

Sorry - hier war ich nicht ganz sauber. Natürlich meinte ich die Kraft, die hier als Auftrieb wirkt um die Gravitation auszugleichen.

Um es noch mal zu veranschaulichen:
Wir sitzen in einem Auto und fahren mit konstanter Geschwindigkeit einen Berg hinauf. Was passiert? Wir werden immer noch von der Erde angezogen und nach unten gepresst.
Jetzt beschleunigen wir bei der Bergauffahrt. Zusätzlich werden wir jetzt noch nach hinten gepresst.
Es wird doch keiner sagen, dass wir bei der Bergauffahrt nur nach hinten in den Sitz gepresst werden. Wir werden auch immer noch auf den Boden gezogen.

Das Ganze nennt man Superposition. Man überlagert die voneinander unabhängigen Lösungen (hier: gleichmäßige Fahrt + Beschleunigung) und lässt nicht einfach etwas weg. Wenn man die Bewegung eines Massenpunktes berechnen möchte, dann muss man alle an ihm angreifenden Kräfte berücksichtigen. Dazu zählt auch die Gravitation.

Unser Problem hier ist, dass ihr von Beschleunigung sprecht und ich von der Wirkung der Kräfte. Die Beschleunigung ist aber nur das Resultat der im gesamten wirkenden Kräfte.

Für das Auto hast Du vollkommen recht! Das läßt sich allerdings nicht so einfach auf die ursprüngliche Frage übertragen, wo die Treibstoff sich denn nun eigentlich sammelt. Es überlagern sich hier eine ganze Handvoll Kräfte, von denen einige gleichmäßig auf alle Teile der Rakete wirken, andere primär auf den Antrieb und nur die Struktur auf den Treibstoff übertragen werden.

Zum einen gibt es die ErdanziehungsKRAFT - sie wirkt auf alle Bestandteile gleichmäßig. Damit sammelt sich der Treibstoff erstmal nirgendwo ... außer vielleicht dank irgendwelcher Oberflächenspannungen entlang der gesamten Tankfläche, aber das ignoriere ich mal.

Eine andere Kraft direkt entgegen der Erdanziehung wie im Auto gibt es bei der Rakete nur während der Vorbereitung (Der Druck mit dem die Rakete auf den Boden drückt - und dieser freundlicherweise zurück.) - Die Tragflächen, die es gibt werden ausschließlich durch Luftwiederstand (BremsKRAFT) entlang der Achse der Rakete wirksam.

Die AntriebsKRAFT wird mit der Zündung der Triebwerke wirksam und wirkt primär auf den Antrieb. Der Treibstoff bekommt davon erst mal gar nichts mit und wird nur deshalb beschleunigt, weil er unsanft gegen die Tankwand gedrückt wird.

Es gibt also nur drei Kräfte, die auf Treibstoff und Struktur unterschiedlich wirken, alle wirken exakt entlang der Achse der Rakete und die Luftreibung wird durch den Antrieb vollkommen ausgeglichen.

=>Bis der Antrieb wieder ausgeht bleibt der Treibstoff am hinteren Ende der Rakete ... ganz egal wo grade unten und oben ist.

Hallo Macbeth,


ja, ich lag falsch. Schande über mein Haupt . Der Witz ist, dass ich hier vor gar nicht so langer Zeit genau so wie ihr argumentiert hatte, was mit dem Treibstoff passiert, wenn das Shuttle einen Startabbruch hinlegt und wieder Richtung Space Center beschleunigt ...

Noch etwas zur ISS:
Schwerelosigkeit herrscht nur wirklich nur im Schwerpunkt der Station. Nur dort heben sich Gravitation und Fliehkraft auf. Sobald man etwas daneben ist, triftet man langsam davon. Da die Experimente der Station aber fest mit der Station verbunden sind, können sie eben nicht frei treiben, sondern werden von der ISS auf deren Bahn gezwungen. Damit wirken also immer kleine Beschleunigungskräfte auf alles in der ISS fest außerhalb des Schwerpunkt installierten.

Kleine blöde Zwischenfrage: worin werden hier eigentlich die Beträge der Vektoren gemessen? im m/s (Geschwindigkeit) oder in m/s/s (Beschleunigung).

Hängt davon ab, welche Vektoren Du meinst. Kraftvektoren haben die Einheit N (== 1 m*kg/s²), Geschwindigkeit (die erste Ableitung des Weges nach der Zeit)  wird in m/s und  Beschleunigung (die zweite Ableitung des Weges nach der Zeit) wird in m/s² gemessen

Noch etwas zur ISS:
Schwerelosigkeit herrscht nur wirklich nur im Schwerpunkt der Station. Nur dort heben sich Gravitation und Fliehkraft auf. Sobald man etwas daneben ist, triftet man langsam davon. Da die Experimente der Station aber fest mit der Station verbunden sind, können sie eben nicht frei treiben, sondern werden von der ISS auf deren Bahn gezwungen. Damit wirken also immer kleine Beschleunigungskräfte auf alles in der ISS fest außerhalb des Schwerpunkt installierten.

Richtig. Diese Kräfte heißen auf Himmelskörpern übrigens auch Gezeitenkräfte und können so stark werden, dass sie den Himmelskörper zerreißen können (Roche-Grenze).

Zitat

Noch etwas zur ISS:
Schwerelosigkeit herrscht nur wirklich nur im Schwerpunkt der Station. Nur dort heben sich Gravitation und Fliehkraft auf. Sobald man etwas daneben ist, triftet man langsam davon. Da die Experimente der Station aber fest mit der Station verbunden sind, können sie eben nicht frei treiben, sondern werden von der ISS auf deren Bahn gezwungen. Damit wirken also immer kleine Beschleunigungskräfte auf alles in der ISS fest außerhalb des Schwerpunkt installierten.

Richtig. Diese Kräfte heißen auf Himmelskörpern übrigens auch Gezeitenkräfte und können so stark werden, dass sie den Himmelskörper zerreißen können (Roche-Grenze).

Jetzt kapier ich endlich die Geschichte mit Ebbe und Flut!!!   Die alte Erklärung mit 'das macht die Anziehungskraft von Sonne und Mond' war mir immer etwas dürftig. Die erzwungene Kreisbahn bei zu niedriger / zu hoher Bahngeschwindigkeit - klar!!! Und wie diese Kräfte die Eigenrotation eines Himmelkörpers bremsen / stoppen können macht dann auch Sinn.

Zitat

Zitat

Noch etwas zur ISS:
Schwerelosigkeit herrscht nur wirklich nur im Schwerpunkt der Station. Nur dort heben sich Gravitation und Fliehkraft auf. Sobald man etwas daneben ist, triftet man langsam davon. Da die Experimente der Station aber fest mit der Station verbunden sind, können sie eben nicht frei treiben, sondern werden von der ISS auf deren Bahn gezwungen. Damit wirken also immer kleine Beschleunigungskräfte auf alles in der ISS fest außerhalb des Schwerpunkt installierten.

Richtig. Diese Kräfte heißen auf Himmelskörpern übrigens auch Gezeitenkräfte und können so stark werden, dass sie den Himmelskörper zerreißen können (Roche-Grenze).

Jetzt kapier ich endlich die Geschichte mit Ebbe und Flut!!!   Die alte Erklärung mit 'das macht die Anziehungskraft von Sonne und Mond' war mir immer etwas dürftig. Die erzwungene Kreisbahn bei zu niedriger / zu hoher Bahngeschwindigkeit - klar!!! Und wie diese Kräfte die Eigenrotation eines Himmelkörpers bremsen / stoppen können macht dann auch Sinn.

Bremsen können sie einen Mond nur, wenn er sich durch die Drehung plastisch verformt (krasses Beispiel dafür ist der Jupitermond Io, der durch die Gezeitenkräfte stark erhitzt wird und entsprechend heftigen Vulkanismus zeigt). Manchmal wird dadurch die Eigendrehung des betreffenden Himmelskörpers auf die Zeit reduziert, die er auch für einen Umlauf um das Zentralgestirn braucht, so etwa beim Erdmond. Er zeigt der Erde immer dieselbe Seite zu. Dadurch gibt es keine (bremsenden) Verformungen durch Gezeitenkräfte mehr.

  Hy Janosch,

ich bin der Meinung, solange die Treibkraft höher ist als die Gravitationskraft und Fliehkraft ( wobei hier keine der beiden letzt genannten überwiegen darf ), als das Treibstoff Gewicht und dessen Trägheit, wird der Treibstoff so in den Tank gepresst als wäre die Kraft senkrecht in die Höhe.

Verändert sich nur eine von denen dann ist das Gegenteil der Fall, wie bei einem Tankwagen dann eben, dort schwabt auch die Flüssigkeit hin und her in gleichmäßiger Fahrt.

Liege ich da richtig in dieser Behauptung.



Das interessante dabei ist das ja nur mit Raketentreibstoff Verbrennung (Rückstoß) gesteuert werden kann, das heißt dann auch die Rakete liegt nicht immer exakt mit der Längsachse in der Kurvenflugbahnachse.

Gruß

ich bin der Meinung, solange die Treibkraft höher ist als die Gravitationskraft und Fliehkraft ( wobei hier keine der beiden letzt genannten überwiegen darf ), als das Treibstoff Gewicht und dessen Trägheit, wird der Treibstoff so in den Tank gepresst als wäre die Kraft senkrecht in die Höhe.

Hallo Booster,

sei vorsichtig mit der Fliehkraft. Die gibts nämlich gar nicht.  

Außerdem immer aufpassen, welche Kräfte überhaupt zum hin- und wegschwappen führen können und welche sich um so etwas überhaupt nicht kümmern (und trotzdem wirken.)

Guck Dir sonst nochmal den Post hier an: https://forum.raumfahrer.net/index.php?topic=4478.0

Gruß
Macbeth

Hallo,

Ich glaube zu dem Thema findet ihr etwas in dieser pdf :
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19980036962_1998067585.pdf

Dabei geht es um die Kräfte die auf den LO2 Tank im ET wirken.


gruß jok

Hallo Zusammen. Schaut hier mal nach. Vielleicht hilfts.
http://books.google.de/books?id=0bp3YvzD8N8C&pg=PA118&lpg=PA118&dq=krafteinwirkung+beim+start+einer+rakete&source=web&ots=X2A8Q9AMUn&sig=Ezv56TaijgcoB2VAvzP6dMZ6bQY&hl=de#PPA119,M1