Gravitationsenergi

Gravitationsenergi, auch gravitationale Potenzialenergie genannt, ist die Energie, die ein Körper durch seine Lage in einem Gravitationsfeld besitzt. In der klassischen Mechanik ergibt sich potenzielle Gravitationsenergie aus der Arbeit, die gegen das Gravitationsfeld verrichtet werden muss, um den Körper von einer Referenzlage zu dieser Lage zu bewegen. In der Nähe der Erdoberfläche kann man dies oft durch U = m g h beschreiben, wobei m die Masse, g die lokale Erdbeschleunigung und h die Höhe über dem Referenzniveau ist. Der Nullpunkt der Energie ist frei wählbar; üblicherweise setzt man ihn am Boden oder am Meereshöhe.

Im allgemeinen Fall eines zentralen Gravitationsfeldes eines Himmelskörpers M und eines weiteren Massenobjekts lautet die potenzielle Energie U(r) = - G M m / r, wobei der Nullpunkt bei unendlicher Entfernung liegt. Entsprechend ist U relativ zum gewählten Referenzpunkt negativ, und sie wird negativer, je näher der Körper dem massereichen Zentrum kommt. Die potenzielle Energie wandelt sich bei Bewegung in kinetische Energie um; die mechanische Gesamtenergie (potentiell plus kinetisch) bleibt bei Vernachlässigung dissipativer Kräfte konstant.

Anwendungen finden sich in der Technik (Speicherung von Energie durch Lageänderung, z. B. in Wasserkraft), in der Orbital- und Galaxienmechanik sowie in vielen physikalischen Problemsituationen, die mit Gravitationsfeldern arbeiten. Wichtig ist, dass die Gravitationspotenzialenergie abhängig vom gewählten Referenzniveau ist und in der Relativistik eine globale eindeutige Definition komplexer ist.