seeadler hat geschrieben:Zeus, es ist doch offensichtlich, und du müsstest mich auch lange genug kennen, dass ich hier etwas vollkommen anderes anspreche, als das, was hier so offensichtlich falsch wäre, wenn ich es so meine, wie du es interpretiert hast. Den Unterschied zwischen elliptischer Bahn und Kreisbahn in Punkto potentieller und kinetischer Energie hatten wir damals bis zum Exzess behandelt - und selbst als ich es näher erklärte, hast du es nicht akzeptiert, sondern wolltest mich wie immer wie einen dummen Jungen aussehen lassen. ich bedaure das sehr!
Schon damals hatte ich klar zum Ausdruck gebracht, dass jegliche Rotation zugleich eine Schwingung darstellt, wenn man ein zweites und jedes weitere Bezugsystem hinzuzieht.
Tatsächlich ist es möglich, ein Bezugssystem zu finden, in dem die Erdbewegung, die im Ruhsystem des Sonnensystems eine Umlaufbewegung um die Sonne ist, zu einer linearen (Ko-)Sinussschwingung wird. Sei S das Ruhsystem des Sonnensystems, so wird die Erdbahn in der x-y-Ebene durch die vektorielle Funktion
(xE(t), yE(t)) = (R cos(ω t), R sin(ω t))
beschreiben, wobei R der Bahnradius ist und ω die sog. Kreisfrequenz der Umlaufbewegung: ω = 2pi/T, mit T = Umlaufdauer = 1 Jahr. Es lässt sich nun ein Bezugssystem S' finden, in der die Erdbewegung durch die vektorielle Funktion
(xE'(t), yE'(t)) = (R cos(ω t), 0)
beschrieben wird, die Erde also linear in x-Richtung schwingt. Das wird dadurch realisiert, dass das Bezugssystem S' gegenüber dem Ruhsystem S des Sonnensystems eine lineare Schwingung in y-Richtung vollführt.
Betrachten wir nun nach der Newtonschen Theorien die Energien in diesem Bezugssystem S'. Einmal haben wir die kinetische Energie der Erde, für die gilt
E_{kin,E}(t) = 1/2 mE vxE²(t) = 1/2 mE R² ω² sin²(ω t)
Dabei ist mE die Erdmasse und vxE(t) = - R ω sin(ω t) die Geschwindigkeit der Erde in x-Richtung zur Zeit t. Da die Erdbewegung eine lineare Schwingung ist, ändert sich diese Geschwindigkeit entsprechend einer Sinus-Funktion, und die kinetische Energie dann entsprechend des Quadrats einer Sinus-Funktion.
Als zweites haben wir die kinetische Energie der Sonne, da die Sonne in S' anders als in S nicht ruht, sondern ebenfalls eine lineare Schwingung vollführt, anders als die Erde allerdings in y-Richtung. Für die Position der Sonne gilt
(xS'(t), yS'(t)) = (0, - R sin(ω t))
und damit für die Geschwindigkeit
vyS(t) = - R ω cos(ω t)
und für die kinetische Energie
E_{kin,S}(t) = 1/2 mS vyS²(t) = 1/2 mS R² ω² cos²(ω t)
mit mS = Sonnenmasse. Und als drittes die potentielle Energie, die beiden Himmelskörpern gemeinsam ist:
E_{pot,SE} = - G mS mE / R
Da der Abstand
R = |(xS'(t) - xE'(t), yS'(t) - yE'(t)| = [((xS'(t) - xE'(t))² + (yS'(t) - yE'(t))²]^(1/2)
zwischen Erde und Sonne immer gleich bleibt, ist E_{pot,SE} konstant, und braucht daher in der Energiebilanz nicht weiter betrachtet zu werden. Jedoch kommt eine vierte Energie hinzu: da S' ein beschleunigtes Bezugssystem ist, sind alle Körper einer Trägheitskraft, also einer Scheinkraft, ausgesetzt. Diese wirkt, da S' in y-Richtung beschleunigt ist, in y-Richtung. Für die Energie der Erde hat diese Scheinkraft keine Bedeutung, da sich die Erde nur in x-Richtung bewegt und die in y-Richtung, also senkrecht dazu wirkende Scheinkraft keine Arbeit an der Erde verrichtet. Ganz anders ist es mit der Sonne, da die sich in y-Richtung bewegt. Für die auf die Sonne wirkende Scheinkraft Fy_T (T für Trägheit) gilt
Fy_T(t) = mS R ω² sin(ω t)
Da für die Position der Sonne yS'(t) = -R sin(ω t) gilt, lässt sich dies umschreiben zu
Fy_T(t) = - mS ω² yS'(t)
Die Scheinkraft hängt also nur von der (y-)Position der Sonne ab und kann daher als konservatives Kraftfeld aufgefasst und daher auf eine potentielle Energie E_{pot,T}, also auf ein "Trägheitspotential", zurückgeführt werden mit
E_{pot,T}(t) = 1/2 mS ω² yS'²(t)
In der Bilanz haben wir also die drei Energien E_{kin,S}(t), E_{kin,E}(t) und E_{pot,T}(t) zu betrachten. Offensichtlich gilt
E_{kin,S}(t) + E_{pot,T}(t) = 1/2 mS vyS²(t) + 1/2 mS ω² yS'²(t)
= 1/2 mS [ R² ω² cos²(ω t) + ω² R² sin²(ω t) ]
= 1/2 mS R² ω²
wobei die Beziehung cos²(ω t) + sin²(ω t) = 1 benutzt wurde. Die Summe der beiden Energie ist also konstant.
Bleibt noch die kinetische Energie der Erde. Hier müssen wir berücksichtigen, dass wir eine Näherung gemacht haben, als wir davon ausgingen, dass im Ruhsystem S des Sonnensystems die Sonne im Punkt (x,y) = (0,0) ruht und die Erde im Abstand R um diesen Punkt kreist. Die Näherung besteht darin, dass wir angenommen haben, dass die Sonnenmasse viel größer ist als die Erdmasse: mS >> mE. Würden wir berücksichtigen, dass mE nur um einen endlichen Faktor größer als mE ist, so würden wir in Ruhsystem des Sonnensystems herausbekommen, dass nicht die Erde um die Sonne kreist, sondern beide, Sonne und Erde, um einen gemeinsamen Schwerpunkt, den wir z.B. im Punkt (x,y) = (0,0) lokaliseren könnten. Im System S' würden wir dann herausbekommen, dass auch die Sonne eine geringfügige Bewegung in x-Richtung vollführt. Die entsprechende Modifikation der kinetischen Energie der Sonne würde dann dazu führen, dass alle drei Energien, E_{kin,S}(t), E_{kin,E}(t) und E_{pot,T}(t), in Summe konstant wären.
Indem wir die beschriebene Näherung gemacht haben, sind wir davon ausgegangen, dass im System S, dem Ruhsystem des Sonnensystems, die Sonne eine beliebig große Impulsänderung der Erde kompensieren kann. Ohne die Näherung müssten wir für Sonne und Erde neben der Energie zusätzlich noch den Impuls betrachten, dabei würden wir feststellen, dass die Erde auf ihrer Bahn um den gemeinsame Schwerpunkt ständig ihren Impuls ändert (es gilt (pxE,pyE) = mE (vxE, vyE)), und dies durch eine vom Betrag her gleiche, aber in der Richtung entgegengesetzte Impulsänderung der Sonne ausgeglichen wird. Durch die Näherung haben wir jedoch zugrundelegt, dass die Sonnenmasse so groß ist, dass eine Änderung im Impuls der Sonne keine nennenswerte Bewegung der Sonnen zu Folge hat.
Analog hat diese Näherung im System S' zur Folge, dass die Sonne beliebig kinetische Energie von der Erde aufnehmen oder an die Erde abgeben kann, ohne dass sich dies merklicher Weise die Bewegung der Sonne beeinflusst. Somit stimmt auch dann die Energiebilanz.
Deine Überlegung, im System S' würde die Bilanz aus kinetischer und potentieller Energie nicht mehr aufgehen, weil die Bewegung der Erde dort eine lineare Schwingung ist, ist also widerlegt.
seeadler hat geschrieben:Und ich habe es an Hand der Venus in Bezug zur Erde und zur Sonne näher analysiert und beschrieben.Selbst wenn die Geschwindigkeit eines kreisenden Körpers konstant ist, so ist sie in Bezug zu einem zweiten Inertialsystem eben nicht mehr konstant, weil sie sich aufgrund der schwingenden Amplitude in Bezug zum anderen Körper verändern müsste. jene konstante Geschwindigkeit verändert sich relativ in Bezug zum anderen Körper. Dies führt aber dazu, dass das Verhältnis zwischen potentieller Energie und kinetischer Energie im Rahmen jener scheinbaren elliptischen Bahn nicht zu dem Ausgleich führt, den du angesprochen hast.
Also erstens ist das Bezugssystem, von dem hier sprichst, vermutlich kein Inertialsystem. Das System S' im obigen Beispiel, in dem für die Erde eine lineare Schwingung herauskommt, ist z.B. weit davon entfernt, ein Inertialsystem zu sein, es ist vielmehr ein beschleunigtes Bezugssystem. Und zum zweiten ist dann, wie oben ausgeführt, die Energiebilanz einfach etwas komplizierter. Anders als im Ruhsystem des Systems Sonne+Erde reicht dann eine Betrachtung der kinetischen und potentiellen Energie der Erde nicht mehr aus, es müssen dann einfach weitere Energien berücksichtigt werden.
Wer es sich, wie du, gerne kompliziert macht, muss dann halt auch die resultierende Komplexität berücksichtigen, und darf nicht so tun, als wäre alles immer noch genauso wie wenn man es sich einfach macht.
seeadler hat geschrieben:Darum wird in diesem Fall sowohl Energie absorbiert, als dann auch wieder frei gesetzt.
Ja, im Bezugssystem S' wird regelmäßig kinetische Energie der Erde in kinetische Energie der Sonne umgesetzt und umgekehrt. Nur "an den Raum" wird keine Energie abgegeben.
seeadler hat geschrieben:Es ist die Energie des Gravitationsfeldes
Wir sind in der Newtonschen Gravitationstheorie, da gibt es keine Energie des Gravitationsfeldes.
seeadler hat geschrieben:Und doch gibt auch die Erde während ihrer Bahn um die Sonne jene angesprochene Leistung von 4,3*10^25 Watt an den umliegenden Raum ab.
Nein, tut sie nicht. Jedenfalls nicht nach der Newtonschen Theorie, auf die du dich hier berufst. Auch in der ART tut sie das nicht, wobei die entsprechenden Rechnungen da erheblich kompliziert sind.
seeadler hat geschrieben:Ebenso tut dies auch die Sonne.
Auch die Sonne tut das nicht. Jedenfalls nicht nach der Newtonschen Theorie, auf die du dich hier berufst.