Kinetische und potenzielle Energie, Energieerhaltung quantitativ
Eine Achterbahn wird langsam auf den höchsten Punkt gezogen. Von da an läuft sie ohne Motor: Der Wagen stürzt hinab, schießt durch die Täler und steigt wieder. Der zweite Hügel ist niedriger als der erste, und das ist kein Zufall.
Auf dem Fahrrad merkst du etwas Ähnliches beim Bremsen. Aus 30 km/h ist der Bremsweg viel mehr als doppelt so lang wie aus 15 km/h.
In dieser Lektion rechnest du mit Energien: Wie viel steckt in Höhe, Bewegung und gespannter Feder? Wie schnell ist der Wagen unten? Und wohin geht die Energie, wenn sie nicht mehr mechanisch ist?
Potenzielle Energie (Lageenergie)
Aus Klasse 7 und 8 kennst du die Lageenergie. In der Physik heißt sie auch potenzielle Energie, Zeichen . Hebst du einen Körper der Masse um die Höhe , ist die Hubarbeit mit und N/kg. Diese Energie steckt dann im Körper. Die Höhe misst du von einem frei gewählten Nullniveau aus, zum Beispiel dem Boden. Nur Höhenunterschiede zählen.
Kinetische Energie (Bewegungsenergie)
Die Bewegungsenergie heißt kinetische Energie (kinetisch: zur Bewegung gehörig). Wir leiten sie her. Ein Körper der Masse wird aus der Ruhe mit der konstanten Kraft auf der Strecke auf die Geschwindigkeit beschleunigt. Die Arbeit steckt danach als Bewegungsenergie in ihm. Mit und (letzte Lektionen) folgt . Die Einheit ist 1 kg · m²/s² = 1 J.
Weil quadratisch eingeht, hat ein Körper bei doppelter Geschwindigkeit die vierfache Bewegungsenergie:
Spannenergie
Eine Feder mit der Federkonstante wird um die Strecke gedehnt. Dabei ist die Verlängerung, keine Weglänge einer Fahrt. Nach dem Hookeschen Gesetz wächst die Kraft von 0 bis , im Mittel ist sie . Die Arbeit ist die mittlere Kraft mal der Weg, also . Sie steckt als Spannenergie in der Feder, solange die Feder elastisch bleibt:
Energieerhaltungssatz der Mechanik
Die Summe der drei Formen heißt mechanische Energie: . Wirken nur Gewichtskraft und Federkraft, aber keine Reibung, bleibt sie konstant. Fällt ein Stein, nimmt die potenzielle Energie um genau so viel ab, wie die kinetische zunimmt.
Mit Reibung wird ein Teil der mechanischen Energie zu thermischer Energie (Wärme). Die mechanische Energie sinkt, die gesamte Energie bleibt gleich. Eine Energiebilanz vergleicht Anfang und Ende:
Die Achterbahn
Die Achterbahn
Ein Wagen startet aus der Ruhe in 40 m Höhe und rollt reibungsfrei hinab. Wie schnell ist er am Boden? Wie schnell ist er in 15 m Höhe?
Am Start gilt , am Boden . Also . Die Masse kürzt sich: .
Am Boden: m/s, das sind etwa 100 km/h.
In 15 m Höhe sind erst 25 m der Höhe in Bewegungsenergie umgewandelt: m/s. Die Form der Bahn spielt keine Rolle, nur der Höhenunterschied.
Das Federkatapult
Das Federkatapult
Eine Feder (D = 200 N/m) wird um 5,0 cm gespannt und schießt eine Kugel von 10 g waagerecht ab. Wie viel Energie steckt in der Feder? Wie schnell ist die Kugel, wie hoch käme sie senkrecht nach oben? Reibung wird vernachlässigt.
Spannenergie: J.
Geschwindigkeit: , also und m/s.
Höhe: Die Bewegungsenergie wird zu potenzieller Energie, , also m.
Die Rutsche
Die Rutsche
Ein Kind (30 kg) rutscht von einer 3,0 m hohen Rutsche aus der Ruhe hinab und ist unten 6,0 m/s schnell. Wie viel Energie wird zu Wärme? Welcher Anteil der anfänglichen Energie ist das?
Anfang: J.
Ende: J.
Die Energiebilanz ergibt J. Das sind , also etwa 39 %.
Wirkungsgrad, Energieflussschema und typische Leistungen
Maschinen wandeln Energie um, ein Teil wird dabei zu nicht mehr nutzbarer Wärme. Der Wirkungsgrad ist der Anteil der Nutzenergie an der zugeführten Energie, . Ein Energieflussschema zeigt die Bilanz als Pfeile. Ein breiter Pfeil führt die zugeführte Energie heran, er teilt sich in einen Pfeil für die Nutzenergie und einen für die Wärme. Die Breite jedes Pfeils entspricht dem Energiebetrag. Bei Maschinen hintereinander multiplizieren sich die Wirkungsgrade.
Die Leistung nennt die übertragene Energie pro Zeit. Typische Größenordnungen (gerundet):
| Beispiel | Leistung (etwa) |
|---|---|
| LED-Lampe | 10 W |
| Mensch, Tagesdurchschnitt | 100 W |
| Wasserkocher | 2 kW |
| Pkw-Motor | 80 kW |
| Windkraftanlage an Land | 3 MW |
| Block eines großen Kraftwerks | etwa 1 GW (Gigawatt, 1000 MW) |
Wasserkraftwerk
Wasserkraftwerk
Ein Wasserkraftwerk erhält 200 MJ aus dem herabfließenden Wasser. Die Turbine hat , der Generator (angenommene Werte). Zeichne das Energieflussschema als Tabelle und bestimme den Gesamtwirkungsgrad.
| Stelle | Energie in MJ | Wärme in MJ |
|---|---|---|
| Wasser (zugeführt) | 200 | 0 |
| hinter der Turbine | 180 | 20 |
| hinter dem Generator | 171 | 9 |
Turbine: MJ. Generator: MJ. Gesamt: , also 85,5 %. Die Wärme beträgt MJ, und MJ. Die Energie bleibt erhalten, nur nicht alles ist nutzbar.
Doppelte Geschwindigkeit, doppelte Energie
Doppelte Geschwindigkeit, doppelte Energie
„Fährt ein Auto doppelt so schnell, hat es doppelt so viel Bewegungsenergie.“
Die Bewegungsenergie wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Bei doppelter Geschwindigkeit ist sie viermal so groß. Darum braucht ein Auto bei gleicher Bremskraft den vierfachen Bremsweg: Die Bremskraft muss die Energie auf dem Bremsweg abbauen, .
Beim Bremsen geht Energie verloren
Beim Bremsen geht Energie verloren
„Wenn der Wagen durch Reibung langsamer wird, verschwindet seine Energie.“
Die Gesamtenergie bleibt erhalten. Nur die mechanische Energie sinkt. Der Rest steckt als thermische Energie in Bremsen, Reifen und Luft. Sie ist verteilt und lässt sich nicht mehr nutzen.
Zusammenfassung
Potenzielle Energie (Lageenergie): E = m · g · h. Die Höhe zählt von einem frei gewählten Nullniveau.
Kinetische Energie (Bewegungsenergie): E = ½ · m · v². Doppelte Geschwindigkeit bedeutet vierfache Energie.
Spannenergie einer Feder: E = ½ · D · s². Doppelte Dehnung bedeutet vierfache Energie.
Ohne Reibung bleibt die mechanische Energie (Summe der drei Formen) konstant. Daraus folgt zum Beispiel v = √(2 · g · h).
Mit Reibung wird mechanische Energie zu thermischer Energie. Die Gesamtenergie bleibt erhalten, die Energiebilanz geht auf.
Der Wirkungsgrad ist Nutzenergie durch zugeführte Energie. Ein Energieflussschema zeigt die Verteilung als Pfeile. Typische Leistungen reichen von 10 W (LED) bis zu etwa 1 GW (Kraftwerksblock).
Übungen
Ein Kind (Masse 50 kg) fährt mit 6,0 m/s auf Rollschuhen. Wie groß ist seine Bewegungsenergie in Joule?
Ein Auto fährt mit doppelter Geschwindigkeit. Wie ändert sich seine Bewegungsenergie?
Eine Feder (D = 400 N/m) wird um 6,0 cm gedehnt. Wie groß ist die Spannenergie in Joule?
Ein Ball fällt aus 5,0 m Höhe, die Luftreibung wird vernachlässigt. Wie schnell trifft er auf dem Boden auf, in m/s? Rechne mit g = 9,81 m/s² und runde auf eine Nachkommastelle.
Ein Kind mit Roller (zusammen 20 kg) rollt aus der Ruhe 4,0 m tiefer und ist unten 5,0 m/s schnell. Wie viel Energie wurde zu thermischer Energie, in Joule, auf ganze Joule gerundet? Rechne mit 9,81 N/kg.
Warum ist der Bremsweg eines Autos bei 100 km/h viermal so lang wie bei 50 km/h, wenn die Bremskraft gleich ist? Erkläre mit Energie.