Arbeit und Energie

In den folgenden Minuten wirst du lernen, was es mit „Arbeit“ und „Energie“ wirklich auf sich hat. Dein Geist wird sich wandeln im Fluss der Zeit, deine Gedanken werden klar und geschmeidig. „Arbeit und Energie“ – das ist die Lösung. Jetzt mal ernsthaft, was soll der Quatsch mit dem Pendel? Nun, so ein Pendel ist einfach sehr gut geeignet, um die Beziehung zwischen „Arbeit“ und „Energie“ zu verdeutlichen. Und zwar natürlich nicht durch Hypnose, sondern durch harte, klare Physik. Schauen wir's uns an. Zu Beginn ist das Pendel „in Ruhe“. Das heißt, dass wir die Bewegungsenergie und auch die potentielle Energie, also die „Lageenergie“, die das Pendel gegenüber dem Erdboden hat, als Nullwert des Systems betrachten. Damit sich etwas tut, müssen wir also erstmal von außen „Energie zuführen“, um so die „Gesamtenergie“ des Systems zu erhöhen. Das machen wir, indem wir an dem Pendel „Arbeit verrichten“. Und zwar „Hubarbeit“, denn wir heben das Pendel zu einer Seite hin an. Das ist schonmal der erste wichtige Punkt: Wenn an einem System Arbeit verrichtet wird, nimmt dessen Energie zu, in unserem Fall die potentielle Energie „E-pot“ des Pendels – also die „Lageenergie“. Die Energieerhaltung gilt dabei natürlich weiterhin. Wir selbst mussten ja Energie aufwenden, um die Hubarbeit am Pendel verrichten zu können. Da wir uns selbst aber nicht als Teil des Systems betrachten, hat die Energie in diesem effektiv zugenommen. Das drückt die Formel „Arbeit W gleich Delta-E“ aus. Die „Hubarbeit“, die wir verrichtet haben, hat also einen Energieunterschied in Form von potentieller Energie im System „Pendel“ herbeigeführt. Der Betrag unserer Hubarbeit setzt sich gemäß der Formel „Arbeit gleich Kraft mal Weg“, aus der Gewichtskraft des Pendels, also „Masse m mal Ortsfaktor g“, und der „Höhe h“ zusammen, um die wir das Pendel aus der „Ruhelage“ angehoben haben. Du musst nun kein „Physik-Genie“ sein, um vorauszusehen, was passieren wird, wenn wir das Pendel loslassen. Aber warum bleibt das Pendel eigentlich nicht in der Luft stehen? Wir haben ihm doch extra so viel Lageenergie gegeben! Hier kommt der zweite wichtige Punkt ins Spiel: „Energie ist gespeicherte Arbeit“. Das bedeutet, Energie befähigt zur Verrichtung von Arbeit. Und da das Pendel nun fähig ist, Arbeit zu verrichten, wird es dies auch tun, denn jedes System in der Natur strebt danach, seine Energie zu reduzieren. Jetzt wollen wir aber mal annehmen, dass sich das Pendel im luftleeren Raum befindet und mit keinem weiteren Körper in Kontakt kommt. Dann handelt es sich um ein „abgeschlossenes System“. Es kann kein Energieaustausch und keine Energieübertragung von oder nach außen stattfinden. Trotzdem wird IM System Arbeit verrichtet – aufgrund der Schwerkraft, die auf das Pendel wirkt. Es durchläuft eine Energieumwandlung, wobei die Lageenergie genutzt wird, um Beschleunigungsarbeit zu verrichten. So schwingt das Pendel mit wachsender Geschwindigkeit „v“ nach unten. In dem Moment, in dem es am Ausgangspunkt ankommt, ist die Lageenergie vollständig in „kinetische Energie“, also Bewegungsenergie, umgewandelt. Anders als zu Beginn ist die Geschwindigkeit des Pendels nun aber maximal groß, gemäß der Formel „Einhalb-m-v-Quadrat“ der kinetischen Energie, die ja nun im Pendel steckt. Du ahnst es bereits: Diese Energie wird wieder umgewandelt werden. Aufgrund der Trägheit des Pendels behält es einfach seine Richtung bei und schwingt munter zur anderen Seite weiter. Die kinetische Energie wird eingesetzt, um Hubarbeit zu verrichten, und damit die Lageenergie des Pendels so weit zu erhöhen, bis die „Bewegungsenergie“ am höchsten Punkt der Schwingung vollständig umgewandelt ist. Dort hat die Geschwindigkeit des Pendels den Wert „Null“, und das Spiel geht wieder von vorne los. Das könnte nun in alle Ewigkeit so weitergehen, wenn es solch ein „abgeschlossenes System“ ohne Reibung und Luftwiderstand in der Realität gäbe. Aber in unserem Universum ist nichts unendlich, meistens geht sogar noch was kaputt. Das wäre ein schönes Beispiel für „Verformungsarbeit“, die zu Verformungsenergie, und Wärme führt. Aber fassen wir mal zusammen: Erstens: Wenn an einem System Arbeit verrichtet wird, dann nimmt dessen Energie zu. Das drückt die Formel „W gleich Delta-E“ aus. Zweitens: Energie ist gespeicherte Arbeit und befähigt wiederum zur Verrichtung von Arbeit. Durch Arbeit kann eine „Energieübertragung zwischen“ zwei Systemen stattfinden, oder eine „Energieumwandlung innerhalb“ eines Systems. So wird auch mit einer Abrissbirne Lageenergie über Beschleunigungsarbeit zu „Bewegungsenergie“ umgewandelt, und beim Aufprall „Verformungsarbeit“ verrichtet. „Arbeit“ und „Energie“ sind also wahrhaft kosmische Kräfte! Aber jetzt löse dich – wach auf und wende dein Wissen an! Äh hallo?!