Was sind Parabelflüge?

Warum sind wir eigentlich schwerelos auf den Parabeln, warum sind es Parabeln und wie schwerelos ist eigentlich unsere Schwerelosigkeit? Fragen wie diese hoffen wir auf dieser Seite beantworten zu können.

Schwerelosigkeit herrscht, wenn nur die Schwerkraft wirkt.

So einfach ist das, das ist das gesamte Geheimnis, noch Fragen?
Nagut, Spaß beiseite. Es ist zwar so, aber vielleicht kann ich helfen diese kurze Aussage zu verstehen. Spontan würde man sagen „Schwerelosigkeit, das ist doch im Weltraum“. Aber nicht nur dort und auch nur dann, wenn unser Raumschiff nicht angetrieben wird. Warum also nicht nur im Weltraum, was müssen wir machen, damit wir selber Schwerelosigkeit erfahren können? Ich würde spontan sagen „Schwerelosigkeit herrscht doch, wenn Dinge, die ich loslasse nicht zu Boden fallen“. Und da kommen wir dem ganzen schon näher: Wenn ich nun selber falle und der Raum um mich herum auch, dann fällt mein Stift nicht runter, wenn ich ihn loslasse.
Somit sind wir bei der Ausgangsaussage. Denn wenn auf alles nur die Schwerkraft wirkt, „fällt alles nach unten“. Am Boden überträgt übrigens der Erdboden Kraft auf alles was auf ihm steht. Dort wirkt also nicht alleine die Schwerkraft, weswegen wir nicht dauerhaft schwerelos sind. Im Flugzeug setzt die Schwerelosigkeit aber schon ein, wenn wir noch nach oben fliegen. Dabei handelt es sich um einen sogenannten schiefen Wurf. Dieser ist ähnlich wie „fallen lassen“ nur mit einer Anfangsgeschwindigkeit. Wenn wir uns mit unserem gedachten Raum nicht einfach loslassen sondern in einem hohen Bogen weggeworfen werden, dann beschreiben wir die gleiche Flugbahn wie der Raum und wenn wir wiederum etwas loslassen fällt es in diesem Raum nicht zu Boden.
In Wirklichkeit ist unser Raum der Airbus A310 und das Werfen übernehmen die Turbinen. In einer Höhe von etwa 6000m beginnen die Piloten die Flugzeugnase nach oben zu ziehen bis sie einen Winkel von 47° über dem Horizont erreicht. An diesem Punkt ändert der Flieger seine Bahn auf eine Wurfparabel, also auf eine Bahn, die ein Gegenstand beschreiben würde, wenn er mit 47° und etwa 400km/h abgeworfen würde, sodass das Flugzeug und alles in ihm schwerelos wird. Da wie beschrieben nur die Gravitation wirken darf, müssen die Turbinen noch Schub geben, weil die Atmosphäre an der Hülle reibt und uns bremsen würde. Das wäre dann eine zusätzliche Kraft und unsere Experimente damit für die Katz‘. Schön zu sehen ist das Manöver in einer Animation der Novespace: Parabelanimation.

Vor einer Parabel fliegt man selbstverständlich horizontal und nach einer Parabel will man dorthin zurück, sodass jeweils die Flugzeugnase nach oben gezogen werden muss. Dabei treten wie bei einem Auto in der Kurve Zentrifugalkräfte auf. Diese sind so stark, dass wir bis zu 1,8mal so schwer werden wie normal. Die folgenden Grafik verdeutlicht die drei Phasen ziemlich anschaulich. Wir müssen uns die Schwerelosigkeit gewissermaßen „erkaufen“:parabelmanoeverDie Güte der Schwerelosigkeit messen wir übrigens in „g“. Das ist die Fallbeschleunigung bei uns. Wenn man etwas loslässt wird es mit g=9,81m/s² beschleunigt. Bei 1,8g ist die Beschleunigung also fast doppelt so groß, was uns so schwer erscheinen lässt. Und unter Schwerelosigkeit hat man 0g, also gar keine Beschleunigung. Tatsächlich schaffen die Piloten unter +-0.05g zu bleiben, was für uns meist ausreicht. Die Piloten steuern zu dritt, ohne Computerunterstützung. Einer für links/rechts, einer rauf/runter und der dritte regelt den Schub der Turbinen, um die Luftreibung auszugleichen.

Und warum herrscht jetzt Schwerelosigkeit im Weltraum? Weil Satelliten auch nur Wurfbahnen beschreiben. Wenn man die Abwurfgeschwindigkeit immer weiter erhöht, fällt man gewissermaßen an der Erde vorbei und landet, im besten Fall, auf einem Orbit um unseren Planeten. Dieser muss nicht zwangsläufig rund sein. Wäre die Erde nur ein Massenpunkt im Zentrum unseres Planeten, so wäre unsere Parabel in sehr guter Näherung nur der äußerster Zipfel einer extremen Bahn um diesen Punkt. Stellen wir uns vor wir befinden uns im Umkehrpunkt der Parabel, etwa 250-300km/h schnell und knapp 6400km entfernt vom Erdzentrum. Statt nach 10 Sekunden den Flieger abzufangen können wir einfach weiterfliegen. Nach etwa 10 Minuten wären wir 40km horizontal von unserem Ursprungsort entfernt, allerdings schon auf halbem Weg zum Mittelpunkt. Horizontal kommen wir unserem Ursprung nun wieder schnell näher, aber auch dem Mittelpunkt. Nach weiteren 5 Minuten etwa wären wir bis auf unter 300 Meter an den Mittelpunkt gelangt, nur um in Sekundenbruchteilen extrem zu beschleunigen, ihn mit aberwitziger Geschwindigkeit zu runden und sofort wieder langsamer werden… Und das alles schwerelos. Im Endeffekt würden wir uns auf einer Ellipse bewegen, deren oberer Teil in seeehr guter Näherung der Parabel entspricht.

Parabelflüge und Fallturm-Experimente an der Universität Greifswald