Arbeit und Arbeitsformen

Arbeit und Arbeitsformen
Physik Klasse 7

Was ist Arbeit?

Was verstehst du unter Arbeit?

Beispiel:

Stellt euch vor: Bei einem Umzug sollt ihr Kisten in ein Haus transportien.
Dabei sind alle Kisten gleich schwer.
Fritz trägt eine Kiste in den 1. Stock.
Und Hans trägt gleichzeitig zwei Kisten in den 1. Stock.
Schließlich trägt Klaus eine Kiste auf den Dachboden oberhalb vom 4. Stock.
Wer von den dreien verrichtet dabei die größte Arbeit?
Und von welchen physikalischen Größen hängt die Arbeit ab?

Wovon die Arbeit in der Physik abhängig ist

von der aufgewendeten Kraft und dem überwundenen Höhenunterschied.
Sie ist unabhängig davon, wie stark jemand ist, ob es heiß ist oder ob es regnet, ob ein Junge oder ein Mädchen arbeitet, ob Kisten kompakt oder sperrig sind.

Versuch:

Halte eine Tasche am ausgestreckten Arm hoch und stelle sie dann auf einen Tisch.
Ist das Hochhalten der Tasche Arbeit? Verrichtet der Tisch Arbeit?

Arbeit in der Physik

Versuch:

Ein Klotz wird mit dem Kraftmesser über den Tisch gezogen

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Um auf all diese Fragen eine schlüssige Antwort zu bekommen, haben die Physiker den Begriff Arbeit wie folgt definiert:

Definition der Arbeit in der Physik

Arbeit wird verrichtet, wenn eine Kraft in Richtung eines Weges wirkt.

Bei gleichbleibender Kraft ist die verrichtete Arbeit proportional des zurückgelegten Weges.
W proportional s
Bei gleichbleibendem Weg ist die verrichtete Arbeit proportional zum Betrag der aufgewendeten Kraft.
W proportional F

Formel der Arbeit in der Physik:

Wirkt eine Kraft F in Richtung eines Weges s, so wird die dabei verrichtete Arbeit W durch das Produkt aus F und s beschrieben.

f_0100

Rechenbeispiel:

Eine Kiste der Masse m = 30 kg wird mit der Kraft F = 200 N drei Meter weit geschoben.
Welche Arbeit wird dabei verrichtet?


f_0101
Das Verschieben der Kiste erfordert eine Arbeit von W = 600 Nm.

Die physikalische Einheit der Arbeit

ist das Newtonmeter (Nm).
Es gilt:
1 Newtonmeter = 1 Joule = 1 Wattsekunde
1 Nm = 1 J = 1 Ws
Die Arbeit 1 Nm wird verrichtet, wenn eine Kraft von 1 N in Richtung eines Weges von 1 m wirkt.




Arbeitsformen

Hubarbeit

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Wir heben einen Körper mit der Gewichtskraft Fg um die Höhendifferenz h an.
Die dabei verrichtete Hubarbeit beträgt:

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Rechenbeispiel:

Wir heben Eine Bücherkiste m = 25 kg vom Fußboden auf einen Schrank der Höhe h = 2 m. Welche Arbeit verrichtem wir dabei ?


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Die Reibarbeit

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Die verrichtete Arbeit beträgt:

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Wir schieben einen Körper entlang einer Strecke s.
Die Reibung verursacht dabei die Reibungskraft Fr.

Rechenbeispiel:

Auf einem Schlitten der Masse m1 = 10 kg sitzt ein Schüler der Masse m2 = 50 kg. Wir zeihen den Schlitten s = 300 m über Eis. Wie groß ist die dabei verrichtete Arbeit? (Reibungszahl µ = 0,02)


1. Berechnung der Reibungskraft:
f_0105
2. Berechnen der Arbeit:
f_0106
Die verrichtete Arbeit beträgt W = 3600 Nm.



Beschleunigungsarbeit

 

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Wenn wir einen Körper aus der Ruhe heraus auf eine bestimmte Geschwindigkeit bringen, so brauchen wir eine Kraft, die Beschleunigungskraft Fb.

Sie wirkt auf der Beschleunigungsstrecke s, z.B. beun Kugelstoßen.

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Rechenbeispiel:

Wir stoßen eine Kugel der Masse m = 5 kg mit voller Kraft Fb = 400 N. Der Beschleunigungsweg beträgt s = 60 cm. Wie groß ist die Arbeit?


f_0108
Die zur Beschleunigung zu verrichtende Arbeit beträgt 240 Nm.

Spannarbeit

 

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Zieht man an einer Feder, so ist dazu Kraft erforderlich. Je länger wir die Feder ziehen, desto größer ist der Kraftaufwand. Nach dem Hookeschen Gesetz gilt für die Kraft:

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Die Kraft steigt proportional mit dem Federweg. Um die dabei verrichtete Arbeit zu berechnen, bildet man den Mittelwert der Kraft.

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Rechenbeispiel:

Wir dehnen eine Feder mit der Federkonstante D = 10 N/cm um 20 cm. Welche Arbeit brauchen wir dazu?


f_0111
Um die Feder zu spannen, ist die Arbeit W = 20 Nm erforderlich.
Die gespannte Feder hat die Arbeit als Energie gespeichert.

Hubarbeit am Flaschenzug

Rechenbeispiel:

Wir heben eine Last von 1000 N um 1 m an. Der dazu verwendete Flaschenzug hat 4 Rollen.
a.) Welche Hubarbeit ist ohne Flaschenzug erforderlich?
b.) Welche Hubarbeit ist mit Flaschenzug erforderlich?


Hubarbeit ohne Flaschenzug:

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Hubarbeit mit Flaschenzug:

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Die Arbeit ist in beiden Fällen gleich. Beim Flaschenzug hat man eine Kraftersparnis, dafür ist der Weg länger (goldene Regel der Mechanik).

Arbeit an der schiefen Ebene

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Sieht man von der Reibung ab, dann ist die Hubarbeit gleich der Zugarbeit.

Merke

Die Größe der verrichteten Arbeit hängt nur von dem Anfangs- und von dem Endzustand eines Körpers ab. Sie ist unabhängig davon, wie der Körper in den Endzustand gelangt ist.


Hier finden Sie eine Übersicht über weitere Beiträge zum Thema Mechanik, Festkörper und Flüssigkeiten, darin auch Links zu Aufgaben.



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