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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 07 01. 2021 13:57 #80588

Nehmen wir einen Planeten mit 1g Schwerkraft an der Oberfläche, erdähnlicher Atmosphäre und Menschen drauf.

Dann ändern wir per Knopfdruck die Schwerkraft auf nur noch 1/8g, von einer Sekunde zur anderen. Was passiert dann mit der Atmosphäre?
Hätten die Menschen, die dann vermutlich so ähnlich herumspringen könnten, als wären sie auf dem Mond, noch Luft zum Atmen? Bliebe die Atmosphäre also einfach erhalten, so wie sie vorher auch war? Oder gibt es eine langsame oder vielleicht sogar eine sprunghafte Veränderung? Wird die Atmosphäre vielleicht sogar ganz plötzlich ins Weltall "gesogen" wie die Luft aus einem Raumschiff mit Leck?

Zusätzlich unterstellen wir dem Planeten mal, dass er im Inneren kalt ist, also angenehme Kühlschranktemperatur vielleicht. So dass man einen Tunnel haben könnte, der durchgängig von der Oberfläche bis zum Kern führt. Was würde mit der Luft/Atmosphäre im Inneren des Tunnels passieren? Würde es der Luft dort drin anders ergehen, als der an der Oberfläche, oder ist ihr das gleiche Schicksal bestimmt?

Ich habe schon versucht durch eigene Recherche auf Lösungen zu kommen, aber habe immer das Gefühl irgendwas zu übersehen, so dass am Ende doch wieder mehrere Möglichkeiten realistisch scheinen.
Vielleicht könnt ihr unserem Planeten und seiner Atmosphäre ja auf die Sprünge helfen?

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 07 01. 2021 14:28 #80590

neuthom schrieb: Oder gibt es eine langsame

Genau so ist es.
Der Druck der Atmosphäre ändert sich von außen nach innen. Die äußeren Bereiche der Atmosphäre entkommen nach und nach ins Weltall. Innerhalb der Atmosphäre kann der Druck nur mit Schallgeschwindigkeit fallen.

neuthom schrieb: wie die Luft aus einem Raumschiff mit Leck

Das ist tatsächlich so ähnlich, auch in diesem Fall fällt der Druck vom Leck aus ab und der Druckabfall breitet sich dann im Raumschiff aus.

Vorsicht, ich schreibe vereinfacht ohne Wurzelzeichen ³x=³√x , wenig Klammern 1/4r²π=1/(4r²π) , statt Vektorpfeil v¹=v⃗ Funktionen bzw Argumente kennzeichne ich mit einem Punkt f.(x)=f(x)

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 07 01. 2021 18:50 #80604

An erlebbarer Geschwindigkeit wäre das ja dann recht plötzlich oder?
Konkret: Wenn ich also auf dem Planeten stehe und dann jemand den Knopf zur Schwerkraftänderung drückt, dann fehlt mir einen Moment später die Luft zum Atmen?

Schallgeschwindigkeit klingt auch schnell genug, um andere Kräfte, wie das verbliebene Achtel an G-Kraft, Eigenbewegung oder Rotation des Planeten (Fliehkraft?) zu vernachlässigen, oder? Ebenso dürfte es mit dem Aufenthaltsort sein, also egal ob Oberfläche oder unten im Tunnel am Planetenkern?

Kurz gefragt: Egal wo ich bin und welche Kräfte noch wirken, gefühlt hätte ich schon nach einem Moment keine Luft zum Atmen mehr … und wäre im Prinzip auch sofort dem Vakuum/Weltraum ausgesetzt, so als würde ich auf dem Mond stehen?

Oder mache ich da einen Fehler und man müsste auf der Oberfläche erst mal minutenlang warten, bis sich so viel von der Atmosphäre verflüchtigt hat, dass es spürbar bei einem ankommt?

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 07 01. 2021 19:28 #80606

Na das wird schon länger als minutenlang dauern.

Die Schallgeschwindigkeit hatte ich dafür angegeben, wie sich die Druckänderung verteilt. Es ist aber eine ganz andere Frage, wie schnell sich die Atmosphäre am Rand entfernt.

Ehrlich gesagt habe ich keine Ahnung, wie man das berechnen könnte. Aber ich denke schon, dass es viele Tage dauern würde.

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 07 01. 2021 20:30 #80607

ra-raisch schrieb: Ehrlich gesagt habe ich keine Ahnung, wie man das berechnen könnte. Aber ich denke schon, dass es viele Tage dauern würde.

Eine Idee hätte ich doch:

Die Anfangsbeschleunigung der Atmosphäre vom Planeten weg sollte
a = 7g/8 = 7g' betragen

Da g=M·G/r² am Rand der Atmosphäre sehr niedrig ist, wäre auch dieser Wert sehr niedrig.
Die ursprüngliche Gravitation g entspricht dabei dem herrschenden Luftdruck und g' der neuen Gravitationskraft.

Ich sehe gerade in meiner Sammlung die Formel für den Luftdruck der Atmosphäre in einer Höhe h über Normalnull:

p.(h) = pNN/exp.(h/hat) ≈ pNN/dek.(h/2hat) wobei hat=R°T/(Mm·g)=7990 m der (terr.) Skalenfaktor ist, bei dem sich der Luftdruck auf 1/e≈1/²10 verringert, mit Molmasse Mm=0,0289644 kg/mol.

Vielleicht hilft das ja weiter.

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 08 01. 2021 13:58 #80615

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Für das Entweichen der Atmosphäre in die Weiten des Alls kämen für mich nur Faktoren in Frage, die nur indirekt mit der geringeren Gravitation zu tun haben. (z.B. Sonnenwinde, die die Atmosphäre dann außerhalb des schützenden Erd-Magnetfeldes mitreißen, oder vielleicht auch die höheren Fliehkräfte der Erdrotation bei größerer Entfernung zur Erde.)
Ich denke mir bei dem Gedankenexperiment einen einsamen Exoplaneten ohne Rotation und anderen Störfaktoren. ;-)

So wie ich das verstehe, ist der Luftdruck auf der Erdoberfläche hauptsächlich vom Gewicht der theoretischen „Luftsäule“ darüber abhängig. Wenn sich das Gewicht dieser Luftsäule auf 1/8 verringern würde, müsste sich das doch erst mal auf 0,125 Bar einpendeln.

Allerdings wird die Atmosphäre auch in höhere Distanzen verschoben, in denen die Gravitation sowieso schon ein wenige geringer wirkt. Der Luftdruck dürfte sich dadurch also noch mal geringfügig verringern.

Oder habe ich da einen Gedankenfehler?

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 08 01. 2021 15:24 #80616

top schrieb: Wenn sich das Gewicht dieser Luftsäule auf 1/8 verringern würde, müsste sich das doch erst mal auf 0,125 Bar einpendeln.

weniger Druck → größeres Volumen
so ist das bei Gasen. Und größeres Volumen → Gas muss entweichen.

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 08 01. 2021 15:36 #80617

Danke für deine Antworten ra-raisch. Ich habe auch versucht mit den Formeln etwas zu erreichen, aber ich fürchte, da komme ich nur grob mit.
Das Entscheidende ist dann für mich das hier:
ra-raisch schrieb: Aber ich denke schon, dass es viele Tage dauern würde.


In meiner Vorstellung hält sich noch hartnäckig das Bild vom Raumschiff mit dem Leck und der entweichenden Luft. Also im übertragenen Sinn, die Idee, dass es doch auch bei unserer Planetenatmosphäre deutlich schneller gehen müsste.
Damit liege ich dann aber offenbar nicht richtig? Ich versuche nun zu verstehen, warum. Also hat das Vakuum des Weltalls dann keinen so großen "Saugeffekt"? Findet da nicht so etwas wie ein Streben nach Konzentrationsausgleich statt? Bzw. wirkt dann der immer noch vorhandene Luftdruck stärker als das? Während im Raumschiff der Druck genau umgekehrt wirkt?


Und danke auch für deine Antwort, top. Das geht ja auch in die Richtung eines relativ langsamen (mindestens tagelangen) Vorgangs?

top schrieb: Ich denke mir bei dem Gedankenexperiment einen einsamen Exoplaneten ohne Rotation und anderen Störfaktoren. ;-)


Gerne so. Oder auch mit erdähnlichen Bedingungen. :)

Du hast mich auf jeden Fall nochmal gedanklich an den Rand der Atmosphäre wandern lassen. Mit zunehmender Entfernung herrscht da ja dann immer weniger Luftdruck und Gravitation. Und da es dort aber keinen harten, sondern einen fließenden Übergang zwischen Atmosphäre und Weltall gibt, spricht das ja auch gegen einen starken Saugeffekt des Vakuums oder andere Kräfte, die sehr plötzlich, ab einer bestimmten unterschrittenen Gravitation/Luftdruck wirken.


Und nochmal zurück zur Ausgangslage: Man müsste also die Gravitation auf dem Planeten schon ganz abschalten oder gar umkehren, um einen Effekt wie beim Raumschiffleck zu erzielen und ein sehr plötzliches, etwa minutenschnelles, Entweichen der Atmosphäre zu haben?

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 08 01. 2021 16:10 #80619

Naja ich habe es auch nur gefühlsmäßig geschätzt. Jedenfalls sind die Entfernungen deutlich größer. Im Raumschiff ein paar Meter und in der Atmosphäre viele Kilometer, mit kontinuierlichem Druckabfall. Man muss wohl auch die Schallgeschwindigkeit der Druckfortpflanzung von der Bewegung eines Teilchens untescheiden. Das Ganze ist dann noch temperaturabhängig.....mit Zustandsgleichungen (eos) habe ich mich nie selber bechäftigt, und dies ist ja kein Zustand sondern eine Veränderung, bei der sich der Druck dynamisch verändert, erst von außen nach innen und dann mit sinkendem Druck immer langsamer.

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 09 01. 2021 20:30 #80645

Die Moleküle an der Oberfläche würden doch auch sofort leichter werden. Warum sollten die warten, bis sich ein Druckabfall von oben fortgepflanzt hat? Vielleicht würde sich einfach alles sofort und gleichmässig ausdehnen...und langsamer werden, wie bei der Pirouette auf dem Eis.

Also sprach das Photon: Wo wir sind ist vorne! Und sollten wir mal hinten sein, dann ist hinten vorne!

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Also sprach das Photon: Wo wir sind ist vorne! Und sollten wir mal hinten sein, dann ist hinten vorne!

Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 09 01. 2021 20:55 #80646

Steinzeit-Astronom schrieb: Die Moleküle an der Oberfläche würden doch auch sofort leichter werden. Warum sollten die warten, bis sich ein Druckabfall von oben fortgepflanzt hat? Vielleicht würde sich einfach alles sofort und gleichmässig ausdehnen...und langsamer werden, wie bei der Pirouette auf dem Eis.

Die Moleküle an der Oberfläche werden vom Luftdruck der Atmosphäre gehalten, sie können ja nicht weg, bis der Druck nachläßt und die Dichte sinkt. Das eigene Gewicht (Schwerkraft) spielt dort nur eine geringe Rolle.

ρ = p·Mm/R°T, das hängt nicht unmittelbar von der Gravitation ab. mit Molmasse Mm. bzw
p = ρ·R°T/Mm = kB·T·n

Ob Du einen Topf mit Deckel von der Erdoberfläche in den Weltraum beförderst, spielt für den Druck im Topf keine Rolle. Erst wenn der Deckel durchlässig wird, ergibt sich das neue Gleichgewicht mit der Schwerkraft....aber auch nur, sofern außerhalb des Topfes ein niedrigerer Druck herrscht.

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 10 01. 2021 00:33 #80650

Würde die Gravitation jetzt, also augenblicklich abgeschaltet, dann würde die Erde ab sofort ihre Umlaufbahn um die Sonne verlassen.
Die Sonne würde ihre Kernfusion einstellen.
Es blieben nur die drei Urkräfte, die starke Kraft, die schwache Kraft und der Elektromegnetismus übrig.
Die Kerne, die Atome und die Kernzerfälle blieben übrig.
Alles Andere, wie Sterne, Planeten, Ellipsenbahnen um Zentralkörper würden sich auflösen.
Ja sogar Neutronensterne und Schwarze Löcher würden sich auflösen.

Haha, was wäre das denn? Die Welt und das Universum geriete aus den Fugen.
Und uns gäbe es auch nicht, die darüber spekulieren könnten.

VG
Thomas

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 10 01. 2021 00:34 #80651

Hihi, Thomas, so war es sicher nicht gemeint, sondern nur die Gravitation bzw die Masse eines einzigen Objektes zu reduzieren, bzw die Frage, wie bzw wie schnell die Atmosphäre darauf reagieren würde.

Vielleicht schreibt da jemand einen SciFi Roman mit künstlicher Gravitation.

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 10 01. 2021 00:50 #80654

Naja, da reicht es , sich auf den ErdMond zu begeben.
Das hatten wir doch schon mit Apollo 11 in Erfahrung gebracht.

Die Gravitation abzuschalten, wie der Titel lautet, ist dagegen eine sehr grundsätzliche und abstrakte Fragestellung.

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 10 01. 2021 15:11 #80666

ra-raisch schrieb: Hihi, Thomas, so war es sicher nicht gemeint, sondern nur die Gravitation bzw die Masse eines einzigen Objektes zu reduzieren, bzw die Frage, wie bzw wie schnell die Atmosphäre darauf reagieren würde.


Ja, genau. War wohl nicht eindeutig genug im Text beschrieben? ;)
Aber auf jeden Fall interessant, auf was für Ideen ihr noch kommt. So grob scheint es mir dann auch langsam klar zu sein.

ra-raisch schrieb: Vielleicht schreibt da jemand einen SciFi Roman mit künstlicher Gravitation.


Vielleicht ... irgendjemand?! :D

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 10 01. 2021 17:11 #80671

ra-raisch schrieb: Aber ich denke schon, dass es viele Tage dauern würde.

Das war wohl zu hoch gegriffen.
Auf der Erde bezeichnet die Kármán-Linie bei 90 km Höhe etwa den Rand der Atmosphäre, das ist nicht so viel wie ich gefühlsmäßig "dachte". Und wenn man dann die Windgeschwindigkeiten bei geringen Druckschwankungen betrachtet, wird es wohl doch nur ein paar Stunden dauern, bis sich der Druck neu normalisiert hat.

Vorsicht, ich schreibe vereinfacht ohne Wurzelzeichen ³x=³√x , wenig Klammern 1/4r²π=1/(4r²π) , statt Vektorpfeil v¹=v⃗ Funktionen bzw Argumente kennzeichne ich mit einem Punkt f.(x)=f(x)

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 10 01. 2021 21:49 #80673

Neuthom,

willst du die Schwerkraft der Erde langsam herunter regeln oder willst du sie zu einem genauem Zeitpunkt um einen gewissen Faktor reduzieren?
Egal, was du da an Alternative wählst, willst du, dass das instantan passieren soll, oder soll die Informationsübertragung mit der Lichtgeschwindigkeit erfolgen? Die Übertragung von Gravitationsinformation breitet sich mit c aus. Soll sie das, oder nicht?

Also formuliere deine Frage nochmal etwas präziser.

VG
Thomas

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 11 01. 2021 00:55 #80674

Thomas schrieb: Also formuliere deine Frage nochmal etwas präziser.

Das wird bei ca 10 km Atmosphäre keinen großen Unterschied ausmachen. Ich denke, dass Neuthom beide Varianten Recht wären. "Korrekt" wäre natürlich, die Signallaufzeit einzuberechnen.

neuthom schrieb:

ra-raisch schrieb: Vielleicht schreibt da jemand einen SciFi Roman mit künstlicher Gravitation.


Vielleicht ... irgendjemand?! :D

Als andere Denkvariante käme ein SL (im Zentrum des Planeten) in Betracht, das seine Masse durch ein Wurmloch verliert .... auch wenn nicht klar ist, ob man dies von außen als Masseverlust (gravitativ) bemerken könnte.

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 11 01. 2021 14:01 #80687

Thomas schrieb: Also formuliere deine Frage nochmal etwas präziser.

neuthom schrieb: Dann ändern wir per Knopfdruck die Schwerkraft auf nur noch 1/8g, von einer Sekunde zur anderen. Was passiert dann mit der Atmosphäre?


Ist das nicht präzise genug? Sonst weiß ich nicht, was noch fehlt. Dass es nur auf dem Planeten geändert werden soll, hatten wir ja geklärt. :)

ra-raisch schrieb: Als andere Denkvariante käme ein SL (im Zentrum des Planeten) in Betracht, das seine Masse durch ein Wurmloch verliert .... auch wenn nicht klar ist, ob man dies von außen als Masseverlust (gravitativ) bemerken könnte.


Das geht in eine ganz ähnliche Richtung wie ich es mir dachte. Allerdings wären wir da ja bei der Ursache, nicht mehr bei den Auswirkungen. Das habe ich mal bewusst weggelassen. War ja so schon genug Text.

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 11 01. 2021 23:53 #80708

Neuthom,
Ok, wenn du die Gravitation per Knopfdruck änderst, also instantan, dann ändern sich augenblicklich die Druckverhältnisse.
Wenn du sie mit dem Knopfdruck ganz abschaltest, dann verabschiedet sich die Atmosphäre innerhalb einiger Sekunden und die Erde selbst würde sich innerhalb von ein paar Stunden auflösen.
Lediglich die elektromagnetische Kraft würde noch über eine gewisse Zeit über elektromagnetische Felder wechselwirken.

Das sagt mir mein physikalisches Verständnis, gerechnet hab ich das nicht.

Thomas

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 12 01. 2021 20:59 #80723

Danke für deine Einschätzung Namensvetter :)

Thomas schrieb: Wenn du sie mit dem Knopfdruck ganz abschaltest, dann verabschiedet sich die Atmosphäre innerhalb einiger Sekunden ...


Würdest du sagen, das mit den Sekunden gilt auch beim Umschalten von 1g auf 1/8g? Oder welche Zeitspanne schätzt du da? So grob würde mir das ja reichen, also Sekunden, Minuten, Stunden.
ra-raisch schätzte ja so im Stundenbereich. Kann man da also einfach unterschiedlicher Meinung sein oder würdest du bei 1/8g auch eher Richtung Stunden tendieren?

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 12 01. 2021 23:32 #80728

Hahaha,
Naja, alles was Schwerkraft abhängig ist, würde sich um 1/8 verringern. Der Druck, die Temperatur, die Teilchendichte....
Wie lange das dauert, bis sich solch ein neues Gleichgewicht herausgebildet hat, will ich nicht mathematisch abschätzen.

Wem das Freude macht, der soll das gerne versuchen.

VG
Thomas

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 17 01. 2021 23:42 #80872

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neuthom schrieb: ...

Und danke auch für deine Antwort, top. Das geht ja auch in die Richtung eines relativ langsamen (mindestens tagelangen) Vorgangs?

...


Was die Ausdehnung betrifft gehe eigentlich eher von wenigen Minuten aus. Allerdings würde ich vermuten, dass es ein paar Stunden dauern könnte, bis es sich eingependelt hat.

Stellen wir uns mal eine 80 km lange, waagerechte Pipeline vor. Die ersten 10 km trenne ich von den restlichen 70 km ab. Nun pumpe ich ich in den 70 km langem Teil die komplette Luft ab.
Wenn ich jetzt Schlagartig die Trennung entferne, wird sich die Atmosphäre mit steigender Geschwindigkeit in der gesamten Pipeline verteilen. (Mich würde es nicht wundern wenn dabei nach kurzer Zeit auch mehrfache Schallgeschwindigkeit erreicht wird.)
Die Beschleunigung müsste eigentlich so lange anhalten, bis der Druck sich gleichmäßig in der Pipeline verteilt hat. Allerdings hat auch die Luft eine (wenn auch nur geringe) Masse und durch die kinetische Energie wird sie sich noch ein ganzes Stück weiterbewegen. Am anderen Ende wird dadurch ein höher Druck erzeugt, um dann dazu führt , dass die Luft wieder in die andere Richtung zu strömt. Das geht vermutlich einige Male hin und her, bis es sich komplett beruhigt hat.

Das lässt sich jetzt nicht 1 zu 1 auf das Verhalten der Atmosphäre übertragen. Schließlich haben wir zum Weltall hin keine Grenze an der sich die Luft wieder komprimiert. Solange aber die Ausdehnungsgeschwindigkeit der Luft nicht die Fluchtgeschwindigkeit des Planeten übersteigt, dürfte diese aber irgendwann wieder zurück in Richtung Planeten fallen und dadurch wieder zu einer kurzzeitigen Druckerhöhung auf der Planetenoberfläche führen. Der Vorgang widerholt sich dann immer schwächer werdend mit immer kürzeren Abständen.

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Wir schalten die Schwerkraft (fast) ab ... und dann? 18 01. 2021 01:39 #80874

Stimmt, Windgeschwindigkeiten über 100 km/h sind ja keine Seltenheit, und das bei geringen Druckunterschieden.

Ich bin mir halt nur nicht sicher, wie schnell sich überhaupt der Druck verändert. Denn der entsteht ja durch die Dichte.

Eine vakuumierte Rohrleitung kann man damit nicht vergleichen, weil die Atmosphäre ja nach oben immer dünner wird, und in 100 km Höhe der Druck sowieso nur noch
p = pNN/exp.(h/hat) = 0,371 Pa bzw 1,3 Pa bei 90 km beträgt gegenüber pNN=101325 Pa auf der Erdoberfläche. Laborvakuum hat etwa 30000 Pa, dies entspricht einer Flughöhe von knapp 10 km.
Achja die Formel hatte ich ja schon oben #80607 gepostet.

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