Mechanische Energie

Mit der mechanischen Energie befassen wir uns in diesem Artikel. Dabei gehen wir vor allem auf die potentielle und kinetische Energie ein. Dieser Artikel gehört zum Bereich Physik / Mechanik.

Den Begriff "Arbeit" kennt jeder aus seinem Alltag. Man macht seine Arbeit, für viele Menschen entspricht das acht Stunden in einem Büro sitzen und den eigenen Beruf ausüben. In der Physik gibt es ebenfalls eine Arbeit. Diese bezieht sich jedoch darauf, wie viel Energie benötigt wird, um ein Objekt zu schieben oder zu heben. Die Arbeit bzw. die Energie wird in Joule, Newton-Meter oder auch in kgm²:s² angegeben. Die drei Angaben drücken das selbe aus, beim Rechnen kann nur der Einsatz der einen oder anderen Schreibweise interessant sein. Nochmal zum mit schreiben:

Folgende Themen der Mathematik und Physik solltet ihr bereits kennen, um im Anschluss die kinetische und potentielle Energie zu verstehen.

• Mathematik: Lineare Gleichungen
• Physik: Gleichmäßig beschleunigte Bewegung
• Physik: Kraft / Kräfte nach Isaac Newton

Potentielle Energie

Kommen wir zur potentiellen Energie. Darunter versteht man die Energie, welche man aufbringen muss, um ein Objekt eine gewisse Höhe zu heben. Beispiel: Ich hebe den Fernseher um 1 Meter nach oben, um diesen auf den Tisch zu stellen. Wie viel Arbeit / Energie muss ich dafür aufwenden? Die Antwort liefert die Formel zur potentiellen Energie.

Potentielle Energie berechnen:

• W_POT = m · g · h
• "W_POT" ist die potentielle Energie in Newton-Meter [ Nm ]
• "m" ist die Masse des Körpers, der gehoben wird, in Kilogramm [ kg ]
• "g" ist die Erdbeschleunigung, g = 9,81m/s² [ m / s² ]
• "h" ist die Höhe, um die das Objekt angehoben wird in Meter [ m ]

Setzt man Masse, Erdbeschleunigung und Höhe in die Formel ein, erhält man die potentielle Energie. Lässt man nun das Objekt fallen, wird dieses immer schneller (da die Erdbeschleunigung das Objekt beschleunigt). Mit der kinetischen Energie kann man nun die Geschwindigkeit rechnen, welche das Objekt beim Aufschlag auf den Boden hat. Beispiel: Ihr hebt einen Fernseher um 1 Meter hoch und lasst ihn - natürlich aus versehen - runter fallen. Die potentielle Energie habt ihr mit der Formel von eben rechnen können. Diese Energie setzt ihr nun bei der Formel für die kinetische Energie ein und stellt diese Formel nach der Geschwindigkeit v um, um die Aufschlaggeschwindigkeit zu berechnen.

Kinetische Energie

Die kinetische Energie berechnet sich aus dem Quadrat der Geschwindigkeit, multipliziert mit der Masse und durch 2 dividiert ( bzw. mit 0,5 multipliziert ).

Kinetische Energie berechnen:

• W_KIN = 0,5 · m · v²
• W_KIN ist die kinetische Energie in Newton-Meter [ Nm ]
• "m" ist die Masse des Objektes in Kilogramm [ kg ]
• "v" ist die Geschwindigkeit in Meter pro Sekunde [ m / s ]

Beispiel:
Ein 3kg schwerer Klotz fällt aus einem Flugzeug, dass 10km über dem Boden fliegt. Mit welcher Geschwindigkeit schlägt der Klotz auf dem Boden auf, sofern man den Luftwiderstand vernachlässigt?

Lösung: Wir benutzen die Formeln zur potentiellen und kinetischen Energie, um die Geschwindigkeit zu berechnen. Dies Berechnung sieht wie folgt aus:

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