Arbeit, Energieformen und Leistung

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Arbeit, Energieformen und Leistung Übung
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Fasse die wichtigsten Informationen zur Arbeit zusammen.
TippsWird Arbeit an einem Körper verrichtet, kommt es zu Energieumwandlungen.
Die Definition der Arbeit hängt eng mit den Größen Kraft und Weg zusammen.
LösungDer Arbeitsbegriff ist ziemlich abstrakt. Am besten behältst du die Definition und die Formel vor Augen und orientierst dich an Beispielen, die du dir gut erklären kannst. Mit jedem Beispiel, dass du kennenlernst, wirst du auch sicherer im Umgang mit dem Begriff Arbeit werden.
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Benenne bei den Beispielen die Energieform, die sich hauptsächlich erhöht.
TippsKinetische Energie ist Bewegungsenergie.
Potentielle Energie ist Höhenenergie.
LösungDie wichtigsten Energieformen in der Mechanik sind kinetische Energie (Bewegungsenergie), potentielle Energie (Höhenenergie), Feder- bzw. Spannenergie sowie Reibungsenergie. Wird ein Körper schneller, so erhöht sich seine kinetische Energie. Wird er auf eine größere Höhe gehoben, erhöht sich seine potentielle Energie. Wird er gespannt, erhöht sich seine Federenergie. Und wird er erwärmt, liegt dies an der höheren Reibungsenergie.
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Erläutere die auftretenden Energieumwandlungen bei den Bewegungen eines Tennisballs.
TippsBei (fast) allen Bewegungen des Tennisballes musst du die Reibung berücksichtigen.
Ein Tennisball ist elastisch, ähnlich wie eine Gummikugel.
LösungVerringert der Tennisball seine Höhe, wird dabei immer potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt (Bewegung 1 und 3). Zusätzlich wird durch die auftretende Reibungsarbeit am Untergrund und/oder der Luft Reibungsenergie in Form von Wärme abgegeben.
Bewegt sich der Tischtennisball mit einer Anfangsgeschwindigkeit über eine flache Ebene, wird seine kinetische Energie in Reibungsenergie umgewandelt (Bewegung 2). Da sich dabei die Höhe des Balls nicht verändert, spielt die potentielle Energie bei dieser Bewegung keine Rolle.
Springt der Tischtennisball hingegen in die Höhe, erhöht sich seine potentielle Energie (Bewegung 5). Gleichzeitig wird ein Teil der Energie in Reibungsenergie umgewandelt. Dafür verringert sich die kinetische Energie des Balls, die direkt aus der Spannenergie zurückgewonnen wurde (Umkehrprozess zu Bewegung 4).
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Berechne, welche Leistung ein Pferd erbringt.
TippsErmittle die notwendigen Zahlenwerte und setze sie in die Formel ein.
LösungDas Einsetzen in die Formel ergibt: $P=\dfrac {m \cdot g \cdot h} {\Delta t}=\dfrac {\pu{75 kg} \cdot \pu{9,8 m//s^2} \cdot \pu{1 m}} {\pu{1 s}}=735\,\frac {\text{kg} \cdot \text{m}^2}{\text{s}^3}=\pu{735 W}$.
Eine Pferdestärke entspricht ungefähr $735$ Watt.
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Fasse die wichtigsten Begriffe zum Thema zusammen.
TippsSortiere zunächst nach Energieformen und anderen physikalischen Größen.
In den Beschreibungen sind die Formeln zur Bestimmung der jeweiligen Größe "versteckt".
LösungEs gilt für die beiden wichtigen zentralen Begriffe Arbeit W und Leistung P:
$W=F_\parallel \cdot s$
$P=\dfrac {\Delta E} {\Delta t}$.
Die Energieformen werden bestimmt durch die Größen Geschwindigkeit - kinetische Energie, Höhe - potentielle Energie, Auslenkungsgrad - Federenergie sowie Reibungskraft - Reibungsenergie.
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Sage voraus, wie sich die Kugel auf der Bahn unter verschiedenen Bedingungen verhält.
TippsIm Vakuum gibt es keine Reibung zwischen Kugel und Luft.
Auf einem Luftkissenpolster bewegt sich die Kugel (fast) reibungsfrei über die Bahnoberfläche.
Finde die idealisierten Bedingungen, unter denen sich die Kugel reibungsfrei bewegen kann und stelle diese dem "Normalfall" gegenüber.
Schätze ab, welche Reibungskraft (Kugel/Luft, Kugel/Bahn) größer ist.
LösungUnter idealisierten Bedingungen bewegt sich die Kugel in dem Versuch (fast) reibungsfrei. Das ist der Fall, wenn durch das Vakuum und das Luftpolster auf der Bahn die Reibungskräfte entfallen. Dann wird die gesamte potentielle Energie der Kugel bei der Abwärtsbewegung in kinetische Energie umgewandelt und anschließend bei der Aufwärtsbewegung wieder komplett in potentielle Energie zurück gewandelt. Da es keine "Energieverluste" durch Reibung gibt, erreicht die Kugel dabei ihre ursprüngliche Höhe A. Würde man diesen Prozess weiter beobachten, würde sich die Kugel (fast) endlos hin- und her bewegen.
Im Gegensatz dazu erreicht die Kugel unter "normalen" Bedingungen, also unter Wirkung aller Reibungskräfte, nur die geringste Höhe D. Ein großer Teil der potentiellen Energie wird dabei in Reibungsenergie umgewandelt.
Schaltet man experimentell jeweils eine der beiden Reibungskräfte aus, kann sich die Kugel höher bewegen als bis zur Höhe D, da nun ein geringerer Anteil der ursprünglichen potentiellen Energie in Reibungsenergie umgewandelt wird. Dabei ist die Reibung zum Boden der Bahn typischerweise stärker als die Reibung mit der Luft. Die Kugel rollt daher in diesem Fall nicht ganz so hoch wie die Kugel, die nur der Luftreibung ausgesetzt ist.
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