Das Rad und die Erde

Beim Fahrradfahren scheint es so alle punkten des Fahrrads bewegen sich vorwärts. Stimmt aber nicht.
Es gebe einen Punkt am Fahrrad, das entgegen der Fahrtrichtung bewegt, nämlich der untere Reifen.

Betrachten wir nun das Rad genauer:

Der Punkt, der den Boden berührt, ist quasi für einen Augenblick still, während der Rest des Rades sich um ihn dreht dann wird untere Teil des Reifens, nachdem Kontakts mit Boden relativ zum Boden rückwärts bewegen.

Der obere Teil des Reifens bewegt sich nicht nur mit der Geschwindigkeit des Fahrrads vorwärts, sondern auch zusätzlich durch die Rotation des Rades in Fahrtrichtung.
Das bedeutet, der obere Punkt des Reifens bewegt sich eigentlich doppelt so schnell vorwärts wie das Fahrrad selbst!

Tatsächlich verhält es sich mit der Erde und ihrer Bahn um die Sonne ganz ähnlich.

Die zwei Bewegungen der Erde

Hier betrachten wir zwei Geschwindigkeiten der Erde:

1. Die Bahngeschwindigkeit: Die Erde rast mit etwa 107.000 km/h auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne.
2. Die Rotationsgeschwindigkeit: Am Äquator dreht sich die Erde mit etwa 1.670 km/h um ihre eigene Achse.

Wann reisen wir am schnellsten durch den Weltraum?

Anders als oft angenommen, variiert unsere Geschwindigkeit relativ zur Sonne im Laufe des Tages:

Mitternacht (niedrigste Geschwindigkeit):

Um Mitternacht wendet die Erde der Sonne den Rücken zu. In diesem Fall verläuft die Erdrotation entgegengesetzt zur Richtung ihrer Umlaufbahn.

• vGesamt = vBahn – vRot
• Zu diesem Zeitpunkt reisen wir mit einer Geschwindigkeit von etwa 105.33 km/h durch den Weltraum.

Mittag (höchste  Geschwindigkeit):

Mittags blicken wir zur Sonne. In diesem Fall entspricht die Richtung der Erdrotation exakt der Richtung ihrer Umlaufbahn.

• vGesamt = vBahn + vRot
• Wir reisen im Weltraum etwas langsamer. (ca. 108.6700 km/h relativ zur Sonne).

Dieser Unterschied entsteht, weil sich die Bewegungsrichtungen der beiden Bewegungen mittags addieren und um Mitternacht subtrahieren.

Wie schnell reisen wir durch das Universum:

Fazit:

Der optimale Zeitpunkt für einen Raketenstart direkt zum Mars wäre Mittag, da sich die Geschwindigkeiten vBahn und vRot zu diesem Zeitpunkt addieren und die Rakete somit mit etwa 108.670 km/h durch den Weltraum reisen kann.
(Vorausgesetzt, es handelt sich um einen Direktflug zum Mars.)

Raketen starten üblicherweise in östlicher Richtung, um die Erdrotation (den sogenannten Schleudereffekt) auszunutzen.
Dies ermöglicht es der Rakete, die erforderliche Orbitalgeschwindigkeit von etwa 28.500 km/h (bzw. 7,9 km/s) unter Einsatz von weniger eigener Energie zu erreichen.

Note

• Äußerer Planeten:  Für äußere Planeten müssen wir schneller werden als die Erde.
• Innere Planeten: Bei inneren Planeten müssen wir uns relativ zur Erde verlangsamen, um auf die Sonne zuzufallen.

In der Praxis:

In der Realität starten Raketen fast nie direkt von der Erdoberfläche in den tiefen Weltraum.
Sie gehen zuerst in einen Parkorbit (eine Umlaufbahn um die Erde).

• Der Orbit: Die Rakete kreist erst mehrmals um die Erde.
• Das Triebwerk für die Reise zum Planeten wird dann gezündet, wenn die Rakete sich an der Stelle im Orbit befindet, wo ihr Geschwindigkeitsvektor genau richtig zeigt.

Beispiel:

Der NASA-Rover Curiosity

• Datum: 26. November 2011
• Uhrzeit: 10:02 Uhr vormittags
• Ort: Florida

Der Start von Venera 9 (russisch Венера-9) Eine Raumsonde der UdSSR zur Erforschung des Planeten Venus.

• Datum: 8. Juni 1975
• Uhrzeit: 07:38  (Um die Venus zu erreichen, müssen wir effektiv bremsen)
• Ort: Kosmodrom Baikonur