Mechanische Energieformen

Hallo. Heute wollen wir uns damit beschäftigen, was Energie ist. Dazu zunächst einmal die Definition der Energie. Energie ist die Fähigkeit Arbeit zu verrichten und beim Verrichten von Arbeit wird eine Energieform in eine andere umgewandelt. Aber was sind diese Energieformen überhaupt? Energieformen, das sind verschiedene Möglichkeiten Energie zu speichern. Betrachten wir dazu einige Beispiele. Das erste Beispiel, das wir betrachten wollen, ist die Lageenergie, als Fachbegriff potenzielle Energie. Das Wort potenziell weißt dabei darauf hin, dass es hier um eine Möglichkeit geht. Zum Beispiel hat ein Auto, das auf einem Berg steht, die Möglichkeit diesen Berg herunter zu rollen. Deshalb besitzt es potenzielle Energie oder Lageenergie. Denn diese Möglichkeit hat es durch seine Lage auf dem Berg. Nur der Höhenunterschied zwischen Bergkuppe und Boden ermöglicht es ihm herunterzurollen. Die zweite wichtige Energieform ist die Bewegungsenergie, als Fachbegriff kinetische Energie. Bewegungsenergie hat, wie der Name schon sagt, jeder Körper, der sich bewegt. Zum Beispiel unser Auto, wenn es nun tatsächlich den Abhang herunterrollt. Die dritte Energieform, die wir uns anschauen möchten, ist die Spannenergie, auch Federenergie genannt. Weil man sie so schon am Beispiel einer Stahlfeder erklären kann. Möchte man eine entspannte Stahlfeder auseinanderziehen, muss man dafür Arbeit verrichten. Dafür hat man dann die Feder um eine Strecke s ausgedehnt. Um diese Strecke kann sich die Feder jetzt wieder zusammenziehen. Und diese Möglichkeit, sich zusammenzuziehen zu können steckt in der Feder in Form von gespeicherter Energie. Spannenergie. Diese 3 Energieformen, Lageenergie, auch potenzielle Energie genannt, Bewegungsenergie, oder auch kinetische Energie und Spannenergie fassen wir unter dem Oberbegriff mechanische Energie zusammen. Es gibt aber auch noch andere Energieformen. Da ist zum Beispiel die elektrische Energie, die wir von der Glühbirne kennen, die magnetische Energie, die zum Beispiel ein Hufeisen an einem Magneten festhält. Wärmeenergie, wir besonders gut bei Feuer sehen können. Strahlungsenergie, die wir von der Sonne empfangen und ganz besonders wichtig, die chemische Energie. Chemische Energie ist zum Beispiel in Nahrungsmitteln wie Brot gespeichert und kann von unseren Muskeln in andere Energieform umgewandelt werden. Um zu messen, wie viel Energie denn nun in einem Körper gespeichert ist, führen wir eine Einheit für die Energie ein, das Joule, mit J abgekürzt. Ein Joule ist 1 Newton, die Einheit für die Kraft mal einem Meter.  Wer jetzt noch weiß, das 1N=kg×m/s² ist, der kann sich leicht überlegen das 1J=kg×m²/s² ist. Was wir immer beachten müssen, wenn wir über Energie sprechen, ist der Energieerhaltungssatz. Der Energieerhaltungssatz besagt, dass die Gesamtenergie im Universum konstant ist. Energie kann nicht aus dem Nichts erzeugt werden. Sie kann aber auch nicht vernichtet werden. Es finden lediglich ständig Energieumwandlungen statt. Erinnern wir uns zum Beispiel an unser Auto, das auf dem Hügel steht. Es hat Lageenergie. Rollt es aber nun diesen Hügel herunter, wird seine Lageenergie in Bewegungsenergie umgewandelt. Der Energieerhaltungssatz gilt auch in abgeschlossen mechanischen Systemen, in denen es keine Reibung gibt. Stellen wir uns zum Beispiel vor wir haben eine Decke, an der ein Pendel hängt. Lenken wir dieses Pendel einmal aus, kann es anfangen zu schwingen. Allerdings wird es beim Schwingen nie über seine Ausgangshöhe hinaus kommen. Dazu reicht seine Energie nicht aus. Es ist nur die Energie vorhanden, die man am Anfang durch das Auslenken hinein gesteckt hat. Um mit Energien auch rechnen zu können, brauchen wir Formeln, die die einzelnen Energieformen beschreiben. Beginnen wir mit der Formel für die Lageenergie. Sie lautet E-pot, also die potenzielle Energie, =m×g×Delta h. Was bedeutet das? Stellen wir uns vor, auf einem Turm steht Fritz, der einen Stein hält. Dieser Stein hat eine bestimmte Masse. Sagen wir mal 1 kg. Dann hängt die Lageenergie des Steins einerseits von seiner Masse m ab, andererseits aber auch von der Höhe, in der er sich über dem Erdboden befindet. Der dritte Faktor, der eine Rolle spielt, ist die Ortskonstante klein g. Sie sagt aus, wie stark die Erde an dem Stein zieht. Auch für unsere zweite Energieform, die Bewegungsenergie, können wir eine Formel angeben E-kin, also die kinetische Energie, =½×m×v². Wir können uns das sehr gut an einem fahrenden Auto veranschaulichen. Seine Bewegungsenergie hängt einerseits davon ab, wie schwer es ist, also wie viel Masse bewegt wird und andererseits davon, wie schnell es nun fährt. Denn v steht für die Geschwindigkeit. Die Formel für unsere dritte Energieform, die Spannenergie, lautet nun E-spann=½×d×s². d, das ist die Federkonstante. Sie gibt an, wie hart oder weich die Feder ist. Bei einer weichen Feder ist es wesentlich leichter, sie um eine Strecke s auszudehnen. Bei einer harten Feder dagegen braucht man dafür mehr Kraft, dafür ist dann auch mehr Energie in der gespannten Feder gespeichert. Zum Abschluss möchten wir noch ein Beispiel für Energieumwandlungen ausrechnen. Dazu gehen wir zurück zu Fritz, der auf einem Turm mit seinem Stein steht. Lässt er den Stein fallen, wird die potenzielle Energie des Steins in Bewegungsenergie umgewandelt. Das heißt, er kommt mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf dem Boden an. Diese Geschwindigkeit wollen wir ausrechnen. Dazu berechnen wir zunächst die potenzielle Energie, die Fritz Stein am Anfang hat. Dazu benutzen wir die Formel E-pot=m×g×Delta h. Nehmen wir an die Masse des Steins, beträgt 1 kg und der Turm ist 100 m hoch. Dann können wir diese Werte in unsere Formel einsetzen. E-pot ist dann 1 kg×9,81m/s², das ist die Ortskonstante auf der Erde, ×100 m. Und das =981kg×m²/s². Jetzt erinnern wir uns daran, dass kg×m²/s²=J war. Wir haben also Ergebnis, das die potenzielle Energie des Steins am Anfang 918 J beträgt. Lässt Fritz den Stein nun aber fallen, so wird seine potenzielle Energie vollständig in Bewegungsenergie umgewandelt. Wenn er mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf dem Boden auftritt, hat er also keine potenzielle Energie mehr, dafür aber Bewegungsenergie. Diese können wir durch die Formel E-kin=½×m×v² beschreiben. Nun wissen wir aber auch, wie groß diese kinetische Energie ist, wenn der Stein auf dem Boden aufkommt. Wenn er mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf dem Boden auftritt, hat er also keine potenzielle Energie mehr, dafür aber Bewegungsenergie. Da es nun aber interessiert, wie schnell der Stein ist, wenn er auf dem Boden aufkommt, stellen wir nach v um. Dazu × wir die Gleichung zunächst mit 2, ÷ dann durch die Masse und ziehen anschließend die \sqrt. Rechnet man die Zahlenwerte nun aus, erhält man das die Endgeschwindigkeit des Steins 44,29 m/s beträgt. Diese hat er allein durch die Umwandelung von Lageenergie in Bewegungsenergie erhalten. Fassen wir nun zusammen, was wir heute gelernt haben. Erstens, es gibt verschiedene Energieformen. Diese können ineinander umgewandelt werden. Dabei wird aber nie Energie erzeugt oder vernichtet. Die Einheit der Energie ist das J. 1J=kg×m²/s². Das war es zur Energie. Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit