In diesem Beitrag gehe ich besonders auf die verschiedenen Energieformen, Energieumwandlung und Energieübertragung ein.
Der Energiebegriff
Was ist Energie?
Das Wort Energie ist in aller Munde:
Energie wird knapp, Energie ist teuer, wir müssen Energie sparen, es gibt eine Energiekrise usw.
Beim Wort Energie fällt dir gewiss ein:
Benzin, Heizöl, Erdgas, elektrischer Strom, Kohle, Feuer, Sahnetorte, Sonne, Batterie, vielleicht auch Stausee, Wind und Kernenergie.
Was kann man mit diesen Energien machen?
Das Lagerfeuer erwärmt und erhellt die Umgebung. Der elektrische Strom macht, dass die Herdplatte heizt, die Lampe leuchtet, der Staubsauger saugt. Benzin sorgt dafür, das der Motor das Auto antreibt, erwärmt und beleuchtet. Die Energievorräte im Keller sind nötig, damit die Wohnung immer gemütlich warm ist und aus der Dusche Warmwasser fließt. Die Nahrung brauchen wir, damit wir leben und arbeiten können. Die Sonne sendet uns Licht und Wärme, sie ermöglicht alles Leben auf der Erde.
Die Schlussfolgerung daraus ist: Ohne Energie geht nichts.
Naturwissenschaftliche Definition Energie
Energie ist die Fähigkeit eines Körpers Arbeit zu verrichten. Mit anderen Worten: Ein Körper, der arbeiten, wärmen oder leuchten kann, besitzt Energie. Für viel Arbeit, viel Wärme oder viel Licht ist daher auch viel Energie nötig.
Energie ist demzufolge kein Stoff, sondern eine Eigenschaft von Körpern. So ist z. B. Benzin selbst keine Energie. Erst wenn es im Motor verbrannt wird, wird seine Energie frei. Es ist also ein Energieträger. Auch der elektrische Strom ist keine Energie. Er trägt die Energie mit sich und gibt sie erst in den Elektrogeräten ab. Das heißt: Der elektrische Strom transportiert Energie.
Energie ist nicht gleich Kraft
Auf dem Fahrrad trittst du in die Pedalen und führst mittels der Kraft deiner Beine Bewegungsenergie zu.
Wenn du dann aufhörst zu treten, behältst du sie.
Sie nimmt leider langsam ab, weil bei einem Fahrrad Reibungskräfte unvermeidlich sind.
Mit anderen Worten: Sie entziehen dir und deinem Fahrrad Bewegungsenergie.
Verschiedene Energieformen
Mechanische Energien
Die Höhenenergie (Lageenergie)
Beim Umzug wird eine Bücherkiste in den ersten Stock getragen. Das ist für den Träger anstrengend, er benötigt dazu Energie, mit anderen Worten: dieFähigkeit Arbeit zu verrichten.
Wo bleibt diese Energie, wenn die Kiste oben im ersten Stock abgestellt wird?
Die Energie steckt in der Bücherkiste. Das merkt man, wenn man sie aus dem Fenster herunterfallen lässt. Wovon hängt die Energie ab, die in der transportierten Kiste steckt?
Ein gehobener Körper hat Höhenenergie
Sie ist um so größer, je größer seine Höhe und seine Masse ist.
Die Bewegungsenergie (kinetische Energie)
Auch ein Körper in Bewegung hat Energie. Das kann man zum Beispiel bei Autounfällen immer wieder sehen. Schwere Schäden treten vor allem dann auf, wenn die Fahrzeuge schnell gefahren sind und wenn es sich um schwere Lastwagen handelt.
Versuch
Drücke mit den Händen ein Stück Knetgummi. Es wird verformt, die dazu nötige Energie liefern deine Hände. Schleudere dann die Knetmasse gegen die Wand. Die Masse trifft mit hoher Geschwindigkeit auf die Wand und wird verformt. Die dazu nötige Energie liefert die Geschwindigkeit. Dein Arm, der die Knetmasse beim Wurf beschleunigte, hat die Energie dazu aufgebracht.
Ein bewegter Körper hat Bewegungsenergie
Sie ist umso größer, je größer seine Geschwindigkeit und je größer seine Masse ist.
Die Spannenergie
Ein Bogenschütze beschleunigt den Pfeil durch einen Bogen, den er mit dem Arm spannt. Ein gespannter Bogen muss demnach Energie besitzen.
Ein gespannter elastischer Körper hat Spannenergie
Sie ist umso größer, je stärker der Körper gespannt und je härter er ist.
Höhen-, Bewegungs- und Spannenergie nennt man auch mechanische Energien, weil das Gebiet, das sich mit Kräften und Bewegungen befasst, Mechanik heißt.
Weitere Energieformen
Auch ein heißer Körper hat Energie, denn er kann andere Körper erwärmen oder er kann leuchten. Diese Energie steckt im Inneren des Körpers bei den kleinsten Teilchen. Deshalb sagt man, ein heißer Körper hat innere Energie.
Die Energie des Benzins oder der Kohle steckt im chemischen Aufbau dieser Stoffe. Ihre chemische Energie wird erst bei der Verbrennung frei. Auch in der Nahrung ist die Energie chemisch gebunden.
Energieumwandlung und Energieübertragung
Versuch
Lasse ein Pendel schwingen und beobachte die Bewegungen genau. Mache eine Aussage über die Energiearten die dabei auftreten.
Beim Pendel wandeln sich laufend Spannenergie, Bewegungsenergie und Höhenenergie ineinander um.
Die Höhen der Umlenkpunkte bleiben zunächst gleich.
Sie ändern sich mit der Zeit infolge der Reibung.
Versuch
Lasse eine rollende Kugel auf eine gleich große prallen und beobachte. Was geschieht mit der Bewegungsenergie der ersten Kugel?
Energie kann umgewandelt werden
Nimmt eine Energieart ab, so nimmt eine andere Energieart gleichzeitig zu.
Der Zusammenhang zwischen Arbeit und Energie
Beispiel
Ein Sack Getreide wird mittels Seil und Rolle hochgezogen. Der Mann am Seil verrichtet dabei Arbeit. Der Sack gewinnt an Höhe und somit an Höhenenergie. Die Arbeit, die der Mann am Seil verrichtet, wird in Form von Höhenenergie gespeichert. Mit anderen Worten: Die Arbeit des Mannes wird in Form von Energie auf den Sack übertragen.
Arbeit ist Energieumsetzung
Das heißt: Wenn Arbeit verrichtet wird, dann wird immer Energie übertragen oder umgewandelt.
Energie berechnen
Um Energien berechnen zu können, hat man festgelegt:
Die Energie eines Körpers ist so groß, wie die Arbeit, die er verrichten könnte, oder wie die Arbeit, die bei der Energieübertragung an ihm verrichtet wurde.
Beispiel
Ein Sack hängt in 4 m Höhe und hat eine Masse von 75 kg. Wie groß ist dabei seine Höhenenergie?
Was ist Arbeit?
Bewegen wir einen Körper unter Kraftaufwand, dann verrichten wir physikalische Arbeit.
Dabei ist die Kraft gemeint, die in Richtung des Weges weist.
Die Arbeit, die verrichtet werden muss, um den Sack 4 m anzuheben ist:
Das ist die Arbeit, die zum heben des Sackes aufgewendet werden musste. Genau diese Arbeit hat der Sack als Energie gespeichert. Für die Höhenenergie gilt also:
Erhaltung und Entwertung von Energie
Kann Energie verloren gehen?
Versuch
Lass einen Pingpongball auf harten Boden fallen. Er springt einige Zeit. Dabei verliert er immer mehr an Höhe und kommt schließlich zum Stillstand. Wo ist die Energie geblieben?
Die Energie wurde durch Luftreibung und Verformung in Wärme umgewandelt. Sie ist nicht verloren gegangen, sie wurde umgewandelt.
Energieerhaltungssatz
Energie kann nicht verloren gehen oder neu entstehen. Energie kann nur umgeformt oder übertragen werden. Mit anderen Worten: Aus Energie wird stets wieder Energie.
Die vom Pingpongball abgezweigte Energie (Wärme = innere Energie) hat für den hüpfenden Ball keinen Wert mehr. Man spricht deshalb von Energieentwertung. Sie tritt bei allen Energieumsetzungen auf. Die ursprüngliche Energie geht dabei in weniger nutzbare Formen über. Obwohl der entwertete Teil nicht verloren ist, spricht man im Alltag oft unkorrekt von Energieverlust oder Energieverbrauch.
Energieerhaltung im abgeschlossenen System
Denken wir an die Geldmenge auf einer völlig von der Außenwelt abgeschlossenen Insel.
Gleichgültig, was sich dort abspielt und wie dort das Geld auf Einwohner und Banken verteilt ist, immer bleibt die Geldsumme konstant.
Mit anderen Worten: Es ist ein abgeschlossenes System.
Wie das Geld auf der Insel, genauso können wir bei jedem der vorigen Versuche einen Bereich abgrenzen, der die Energie einschließt.
Zu diesem Bereich gehören alle Körper, die während des Versuchs miteinander in Wechselwirkung stehen und die Energie untereinander austauschen.
Beim Pendeln bilden zum Beispiel der Pendelkörper, seine Aufhängung, der Faden und die Erde zusammen das abgeschlossene System.
Um diesen Bereich kann man in Gedanken eine Hülle legen, die nichts durchlässt.
Das so entstandene Gebilde nennt man ein energetisch abgeschlossenes System.
Mit anderen Worten: Es ist ein Energietresor.
Die Energie, die dem Pendel im Laufe der Zeit verloren geht, erhöht die innere Energie des Systems.
Das äußert sich durch geringfügige Erwärmung.
Zusammenfassung
- Energie kann ihre Form wandeln.
Mechanische Energieformen sind Höhenenergie, Bewegungsenergie und Spannenergie. - Einen Bereich, der mit seiner Umgebung keine Energie austauscht, nennt man ein energetisch abgeschlossenes System.
- In einem abgeschlossenen System bleibt unabhängig von den Vorgängen, die sich darin abspielen,die Energie erhalten.
Die Bewegungsenergie
Zusammenstellung aller wichtigen Bewegungsformeln
Die gleichförmige Bewegung
Die gleichförmig beschleunigte oder verzögerte Bewegung
Der freie Fall
Dynamisches Grundgesetz (Newtonsches Kraftgesetz)
Körper mit vorgegebener Anfangsgeschwindigkeit wird beschleunigt, bzw. verzögert
Die Arbeit
Die Höhenenergie
Die Bewegungsenergie
Wie groß ist die Energie eines Körpers mit einer bestimmten Geschwindigkeit?
Vorüberlegung freier Fall.
Welche Energie wird frei, wenn ein Körper aus einer ganz bestimmten Höhe herabfällt? Nach dem bisher gelernten wissen wir, dass ein Körper, der angehoben wird die Höhenenergie
erhält. (pot. = potentielle oder Höhenenergie)
Prallt der Körper auf dem Boden auf, so hat er kurz vor dem Aufprall die gleiche Energie wie auf seinem höchsten Lagepunkt, denn Energie geht ja nicht verloren. Allerdings ist die Energie kurz vor dem Aufprall seine Bewegungsenergie.
In dieser Gleichung ist die Fallbeschleunigung nicht mehr enthalten, sondern neben der Masse nur noch die Geschwindigkeit. Daraus entnehmen wir, dass die Gleichung nicht nur für den freien Fall gilt, sondern für alle Bewegungsarten.
Formel: Kinetische Energie berechnen
Ein Körper mit der Masse m, der sich mit der Geschwindigkeit v bewegt, hat die kinetische Energie
Beispiel
Ein Auto mit der Masse m = 1000 kg fährt frontal auf einen Betonpfeiler. Welche Energie wird beim Aufprall frei, wenn das Auto eine Geschwindigkeit von 90 km/h hatte? (90 km/h = 25 m/s)
Zum Vergleich:
1 kg Benzin hat einen Energiegehalt von etwa 44000 kJ, das ist etwa 200 mal soviel. Die Energie beim Aufprall wird aber im Bruchteil einer Sekunde frei.
Hier findest du eine Übersicht über weitere Beiträge zum Thema Mechanik, darin auch Links zu Aufgaben.
