Grundlagen der Physik: Arbeit, Energie und Leistung
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Inhalt
- Arbeit
- Kinetische Energie
- Potenzielle Energie
- Konservative und nicht-konservative Kräfte
- Leistung
Arbeit
Eine konstante Kraft verrichtet Arbeit, wenn sie auf einen Körper einwirkt und ihn über eine bestimmte Distanz bewegt. Während Arbeit am Körper verrichtet wird, findet eine Energieübertragung statt; man kann also sagen, dass Arbeit Energie in Bewegung ist. Wenn eine konstante Kraft keine Bewegung erzeugt, wird keine Arbeit verrichtet. Das Halten eines Buches auf Armlänge erfordert beispielsweise keine Arbeit am Buch, unabhängig von der Anstrengung. Die Arbeit wird in Joule (J) ausgedrückt.
Wenn die Kraft in Richtung der Bewegung wirkt:
L = F · d
L: Verrichtete Arbeit.
Wenn die angreifende Kraft einen Winkel θ zur Bewegungsrichtung aufweist:
L = F · cos(θ) · d
Alle Kräfte, die senkrecht zur Bewegung stehen, verrichten keine Arbeit. Kräfte können mechanischer Natur sein (z. B. Heben eines Körpers oder Beschleunigen eines Flugzeugs), aber auch elektrostatischer, elektrodynamischer oder Oberflächenspannungseffekt sein.
Energie
Der Begriff Energie verbindet alle Zweige der Physik. In der Physik ist Energie die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Energie wird in Joule (J) ausgedrückt. Es gibt viele Formen von Energie: elektrische und magnetische potenzielle Energie, kinetische Energie, in Federn gespeicherte Energie, molekulare Bindungsenergie, Wärme und Masse.
Kinetische Energie
Wenn eine Kraft die Geschwindigkeit eines Körpers erhöht, wird Arbeit verrichtet, wie etwa bei der Beschleunigung eines Flugzeugs durch Triebwerke. Bewegt sich ein Körper mit variabler Geschwindigkeit, entwickelt er kinetische Energie.
Ec = ½ · m · v²
Die Arbeit einer Kraft, die auf ein Teilchen wirkt, entspricht der Änderung der kinetischen Energie des Teilchens:
ΔEc = Ec2 - Ec1
L = ΔEc = ½ · m · (v₂² - v₁²)
Potenzielle Energie
Wird ein Objekt vom Boden auf einen Tisch gehoben, muss Arbeit gegen die Schwerkraft verrichtet werden. Diese Energie wird als potenzielle Energie gespeichert.
Ep = m · g · h
Die verrichtete Arbeit entspricht der Änderung der potenziellen Energie:
ΔEp = Ep2 - Ep1 = m · g · (h₂ - h₁)
Bei Energieumwandlungen bleibt die Gesamtenergie erhalten, bekannt als mechanische Energie (EM). Beispiel: Beim Heben eines Gummiballs steigt die potenzielle Energie. Beim Fallenlassen wird sie in kinetische Energie umgewandelt. Beim Aufprall entsteht durch Reibung Wärme.
Konservative Kräfte
Eine Kraft ist konservativ, wenn die verrichtete Arbeit an einem Teilchen bei jeder Hin- und Rückfahrt null ist.
ΔEM = 0
Arbeit konservativer Kräfte:
L = ΔEM = ΔEc + ΔEp
Nicht-konservative Kräfte
Bei nicht-konservativen Kräften (z. B. Reibung) ist die Arbeit bei einer Hin- und Rückfahrt ungleich null.
ΔEM ≠ 0
L = ΔEM + HO (wobei HO die Arbeit der Reibungskraft ist).
Leistung
Die Leistung ist die Arbeit, die pro Zeiteinheit verrichtet wird. Die Einheit ist Watt (W).
P = L / t
P = F · v
Pferdestärken (PS) sind eine traditionelle Einheit für mechanische Leistung. 1 PS entspricht 736 Watt.
Autor: Ricardo Santiago Netto