Rechner für gravitative potentielle Energie

Berechnen Sie die gravitative potentielle Energie mit Ep = mgh in Erdnähe oder U = −GMm/r für ein Zweikörpersystem. Enthält Fluchtgeschwindigkeit, Planeten-Voreinstellungen und Umrechnungen für Energieeinheiten.

Voreinstellungen:

M = 5,972 × 10²⁴ kg

Was ist gravitative potentielle Energie?

Gravitative potentielle Energie (GPE) ist die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Position in einem Gravitationsfeld besitzt. Sie repräsentiert die gegen die Schwerkraft verrichtete Arbeit, um ein Objekt von einem Bezugspunkt zu dieser Position zu bringen. Wenn das Objekt losgelassen wird, wandelt sich diese gespeicherte Energie in kinetische Energie um.

GPE ist eine Form der potentiellen Energie — sie ist latent und wartet darauf, freigesetzt zu werden. Ein Felsbrocken, der auf einer Klippe ruht, hat eine enorme GPE. Eine zusammengedrückte Feder hat elastische potentielle Energie. Beide speichern Energie aufgrund ihrer Position oder Konfiguration.

Ep = mgh
Formel für Erdnähe (konstantes g)
U = −GMm/r
Allgemeine Zweikörper-Formel
G = 6,674×10⁻¹¹
N·m²/kg² — Gravitationskonstante

Formel für Erdnähe: Ep = mgh

In der Nähe der Erdoberfläche (oder jedes Planeten) ist die Gravitationsfeldstärke g annähernd konstant. Die Änderung der GPE lautet einfach:

Ep = m × g × h

m — Masse (kg)

Die Masse des Objekts. Schwerere Objekte speichern bei gleicher Höhe mehr GPE.

g — Gravitation (m/s²)

Die Erdbeschleunigung. Erde: 9,81, Mond: 1,62, Mars: 3,71 m/s².

h — Höhe (m)

Höhe über dem Bezugsniveau. Die Wahl des Bezugsniveaus ist beliebig — nur Änderungen der GPE sind von Bedeutung.

Die Formel kann umgestellt werden: m = Ep/(g·h), h = Ep/(m·g), g = Ep/(m·h). Sie können auch die Aufprallgeschwindigkeit berechnen: v = √(2·g·h).

Allgemeine Formel: U = −GMm/r

Wenn der Abstand zwischen zwei Massen groß ist – oder wenn Präzision wichtig ist – verwenden Sie das Newtonsche Gravitationsgesetz, um die potentielle Energie des Zweikörpersystems zu berechnen:

U = −G · M · m / r
Symbol Bedeutung Wert / Einheit
G Universelle Gravitationskonstante 6,6743 × 10⁻¹¹ N·m²/kg²
M Masse des großen Körpers (Planet/Stern) kg
m Masse des kleinen Körpers kg
r Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt m

Das negative Vorzeichen weist darauf hin, dass die Gravitation anziehend wirkt. U nimmt zu (wird weniger negativ), wenn r zunimmt — das System hat mehr Energie, wenn die Massen weit voneinander entfernt sind. U = 0 bei r = ∞.

Energieerhaltung & GPE

In Abwesenheit von Reibung und Luftwiderstand bleibt die mechanische Energie erhalten:

KE₁ + PE₁ = KE₂ + PE₂   →   ½mv₁² + mgh₁ = ½mv₂² + mgh₂

Wenn ein Objekt von der Höhe h₁ auf h₂ = 0 fällt, wandelt sich die gesamte GPE in kinetische Energie um. Die Endgeschwindigkeit beträgt:

v = √(2 · g · h)

Das bedeutet, eine Person mit 70 kg, die 10 m tief fällt, prallt mit etwa 14 m/s (50 km/h) auf den Boden – unabhängig von ihrer Masse. GPE ist auch die Grundlage für Wasserkraftwerke, Pendel, Achterbahnen und federmechanische Antriebe.

Fluchtgeschwindigkeit

Die Fluchtgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, bei der die kinetische Energie eines Objekts exakt dem Betrag seiner GPE in einer bestimmten Entfernung von einem massereichen Körper entspricht:

v_esc = √(2GM / r)
Himmelskörper Masse (kg) Radius (km) v_esc (km/s)
Erde5,972 × 10²⁴6.37111,19
Mond7,342 × 10²²1.7372,38
Mars6,417 × 10²³3.3905,03
Jupiter1,898 × 10²⁷69.91159,5
Sonne1,989 × 10³⁰695.700617,5

Rechenbeispiele

Beispiel 1 — Person beim Treppensteigen (70 kg, 10 m, Erde)

Gegeben: m = 70 kg, h = 10 m, g = 9,81 m/s²
Formel: Ep = m × g × h
Schritt 1: Ep = 70 × 9,81 × 10
Ergebnis: Ep = 6.867 J ≈ 6,87 kJ

Beispiel 2 — Apfel fällt aus 1,5 m (0,1 kg)

Gegeben: m = 0,1 kg, h = 1,5 m, g = 9,81 m/s²
Formel: Ep = m × g × h
Schritt 1: Ep = 0,1 × 9,81 × 1,5
Ergebnis: Ep = 1,47 J | Aufprall v = √(2×9,81×1,5) ≈ 5,42 m/s

Beispiel 3 — Satellit im LEO (1000 kg, r = 6.771 km zum Erdmittelpunkt)

Gegeben: G = 6,6743×10⁻¹¹, M = 5,972×10²⁴ kg, m = 1000 kg, r = 6,771×10⁶ m
Formel: U = −G·M·m/r
Schritt 1: GMm = 6,6743×10⁻¹¹ × 5,972×10²⁴ × 1000 = 3,986×10¹⁷
Schritt 2: U = −3,986×10¹⁷ / 6,771×10⁶
Ergebnis: U ≈ −5,887×10¹⁰ J ≈ −58,87 GJ

Beispiel 4 — Erreichte Höhe bei Start mit 100 m/s

Gegeben: v = 100 m/s, g = 9,81 m/s²
Formel: h = v² / (2g)
Schritt 1: h = 10.000 / (2 × 9,81) = 10.000 / 19,62
Ergebnis: h ≈ 509,9 m

Referenztabelle für Planeten & Objekte

Himmelskörper g (m/s²) Masse (kg) Radius (km)
Erde9,815,972 × 10²⁴6.371
Mond1,627,342 × 10²²1.737
Mars3,716,417 × 10²³3.390
Jupiter24,791,898 × 10²⁷69.911
Sonne2741,989 × 10³⁰695.700
Venus8,874,867 × 10²⁴6.052

Häufig gestellte Fragen

Gravitative potentielle Energie (GPE) ist die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Position in einem Gravitationsfeld gespeichert hat. Nahe der Erdoberfläche gilt Ep = mgh, wobei m die Masse, g die Erdbeschleunigung (9,81 m/s²) und h die Höhe über dem Referenzpunkt ist. Sie repräsentiert die Arbeit, die gegen die Schwerkraft verrichtet wurde, um das Objekt auf diese Höhe zu heben.
In der Zweikörper-Formel U = −GMm/r ist die potentielle Energie negativ, weil der Bezugspunkt (U = 0) ins Unendliche gesetzt ist. Wenn sich zwei Massen einander nähern (r nimmt ab), setzen sie Energie frei, weshalb die potentielle Energie des Systems unter Null sinkt. Ein negativer Wert bedeutet, dass das System gebunden ist – Sie müssen Energie hinzufügen, um die Massen zu trennen.
Verwenden Sie Ep = mgh für Objekte in der Nähe der Erdoberfläche, bei denen Höhenänderungen im Vergleich zum Erdradius klein sind (unter ~100 km). Die Formel behandelt g als Konstante. Verwenden Sie U = −GMm/r für große Entfernungen, Orbitalmechanik, Raumfahrt oder wenn Sie es mit zwei Körpern vergleichbarer Masse zu tun haben, da sie berücksichtigt, wie die Gravitation mit der Entfernung abnimmt.
Die Fluchtgeschwindigkeit ist die Mindestgeschwindigkeit, die ein Objekt benötigt, um der Schwerkraft eines Planeten ohne weiteren Antrieb zu entkommen. Sie entspricht v_esc = √(2GM/r), wobei G die Gravitationskonstante, M die Planetenmasse und r der Abstand zum Planetenmittelpunkt ist. Für die Erdoberfläche beträgt die Fluchtgeschwindigkeit ≈ 11,19 km/s.
Nein. Die gravitative potentielle Energie ist eine konservative Größe – sie hängt nur von der Position des Objekts (Höhe oder Abstand vom Massenschwerpunkt) ab, nicht von dem Weg, der zu dieser Position geführt hat. Dies bedeutet, dass die von der Schwerkraft auf einem geschlossenen Weg verrichtete Arbeit null ist.
Durch die Erhaltung der mechanischen Energie: Ep + KE = konstant. Wenn ein Objekt fällt, sinkt die GPE und die kinetische Energie steigt um denselben Betrag. Beim Aufprall, wenn wir den Luftwiderstand vernachlässigen, wurde die gesamte GPE in KE umgewandelt. Die Aufprallgeschwindigkeit ist v = √(2gh) für den oberflächennahen Fall.
GPE wird im SI-System in Joules (J) gemessen. Ein Joule entspricht 1 kg·m²/s² = 1 N·m. Für alltägliche Objekte sind Kilojoules (kJ) üblich. Andere Einheiten umfassen Kalorien (1 cal = 4,184 J), Kilokalorien (kcal) und Foot-Pounds (ft·lb = 1,356 J).
Mit der allgemeinen Formel U = −GMm/r geht U für r → ∞ gegen 0. Die gravitative potentielle Energie jedes Objekts bei unendlicher Entfernung von allen anderen Massen ist null. Deshalb haben gebundene Systeme (Planeten, Monde, Satelliten) immer eine negative Gesamtenergie – sie müssen Energie aufnehmen, um U = 0 im Unendlichen zu erreichen.