Hub-Arbeit und kinetische Energie, Energieerhaltung

1. Hub-Arbeit und kinetische Energie, Energieerhaltung

2. Inhalt • Hubarbeit • Arbeit bei beschleunigter Bewegung: „Kinetische Energie“ • Energie-Erhaltung: • Austausch zwischen potentieller und kinetischer Energie • Umwandlung von Energie in Wärme

3. Formen mechanischer Arbeit Mechanische Arbeit ist • „Kraft mal Weg“ mit Weg in Kraftrichtung • Ist die Kraft die Schwerkraft, nennt man die Arbeit auch „Hubarbeit“ • „Kraft mal Weg“ führt bei beschleunigter Bewegung auf „Kinetische Energie“ • Wärme, gemessen als Temperaturerhöhung, ist kinetische Energie der mikroskopischen Teilchen, die sich • mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten • in alle Richtungen bewegen

4. W = F · s [J] „Arbeit ist Kraft mal Weg“ Einheit: 1 Nm=1 J (1 Joule)

5. Hubarbeit ist Schwerkraft mal Hub-Höhe W = F · s [J] W = m ·g · h [J] Kraft = Schwerkraft auf die Masse m Weg = Hubhöhe h Haltekraft (hier: „Muskelkraft“) Schwerkraft auf die Masse m, F = m·g [N]

6. Speziell: Hub-Arbeit Gibt es keine weiteren Kräfte wie z. B. die Reibung, dann ist die Hubarbeit unabhängig vom Weg, auf dem die Höhe h erreicht wird

7. Arbeit bei beschleunigter Bewegung Trägheitskraft Kraft W = F · s [J] W = F · a·t2/2[J] W = m · a2·t2/2[J] Weg W = m · v2/2[J] • Die Bewegung in diesem Beispiel ist beschleunigt: Der Kraft von „Blau“ wirkt eine gleichgroße Trägheitskraft entgegen

8. Kinetische Energie bei konstanter Beschleunigung Der Ansatz „Betrag der Kraft gleich Trägheitskraft“ gilt für die beschleunigte Bewegung

9. Definition der kinetischen Energie • Die Arbeit wird „kinetische Energie“, wenn die Kraft zur Beschleunigung einer Masse verwendet wird • Eine Masse, die sich mit Geschwindigkeit v bewegt, trägt die kinetische Energie Wkin=mv2/2 , unabhängig von der Art der Beschleunigung

10. Hubarbeit ist Schwerkraft mal Hub-Höhe W = m ·g · h [J] Kraft = Schwerkraft auf die Masse m Weg = Hubhöhe h Haltekraft (hier: „Muskelkraft“) Schwerkraft auf die Masse m, F = m·g [N]

11. Umwandlung der Hubarbeit beim Fall in Wärme (1) Beim (freien) Fall erfolgt die Bewegung beschleunigt, anstelle der Muskelkraft (rot) tritt die Trägheitskraft (violett) Fällt die Masse, dann wird die Hubenergie beim Aufschlag in Wärme umgewandelt, meistens mit plastischer Verformung von Masse und Unterlage

12. Umwandlung der Hubarbeit beim Bremsen in Wärme (2) Gebremst erfolgt die Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit, also „kräftfrei“, die Schwerkraft ist in jedem Moment durch die reale Muskelkraft (rot) kompensiert Beim langsamen Ablassen wird die Hubenergie in der „Bremse“, hier: den Händen, in Wärme verwandelt

13. 100 nm 5 nm Als „Wärme“ ist die kinetische Energie auf alle Teilchen und auf alle Richtungen verteilt – Letzteres verhindert die vollständige Rückgewinnung z. B. als Hub-Energie, die nur Bewegung nach oben betrifft Energie in elastischer Verformung und Wärme Gas Energie Zufuhr ist „irreversibel“ Fest – elastische Verformung Flüssigkeit „fließt“, mit oder –vereinfachend –ohne Reibung Energie Zufuhr ist „reversibel“ Rot: Kraftvektor- Nur ein Festkörper kann „elastisch“ verformt werden , d. h. man kann die Arbeit zur Verformung nahezu vollständig wieder abrufen, z. B. in einer gespannnten Feder

14. Zusammenfassung • Ist die Kraft die Schwerkraft, nennt man die Arbeit „Hubarbeit“ • W = m· g · h [J] • Die Schwerkraft m· g wirke entlang des Weges h • Die Arbeit wird zu „Kinetischer Energie“, wenn die Kraft zur Beschleunigung einer Masse verwendet wird: • Eine Masse m, mit Geschwindigkeit v bewegt, trägt die kinetische Energie Ekin=m·v2/2 [J] • Diese Formen der Arbeit sind in vollem Umfang in andere Formen der Energie umwandelbar • Im Gegensatz zur Wärme, die nicht vollständig in „Kraft mal Weg“ für eine einzelne Masse verwandelt werden kann

15. Finis „Arbeit ist Kraft mal Weg“ Kraft Weg „Energie in Form von Wärme ist nicht in vollem Umfang in andere Formen der Energie umwandelbar“