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Energie bei der Bewegung

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Team Digital
Energie bei der Bewegung
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Grundlagen zum Thema Energie bei der Bewegung

Bewegungsenergie – Physik

Du weißt bereits, dass es verschiedene Energieformen gibt: zum Beispiel mechanische Energie, chemische Energie oder thermische Energie. Außerdem kennst du die Prinzipien der Energieerhaltung. Du weißt also, dass Energie nicht verloren geht oder verbraucht wird, sondern zwischen verschiedenen Energieformen umgewandelt wird.

Heute wollen wir uns die Bewegungsenergie ein bisschen genauer ansehen. Außerdem schauen wir uns an konkreten Beispielen an, wie Bewegungsenergie übertragen und umgewandelt werden kann.

Bewegungsenergie – Definition

Die Bewegungsenergie wird auch als kinetische Energie bezeichnet und hat das Formelzeichen $E_{kin}$. Sie ist die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Bewegung hat. Die Bewegungsenergie kannst du mit der folgenden Formel berechnen:

$E_{kin}=\frac{1}{2}mv^{2}$

Die kinetische Energie hängt also von der Masse $m$ und der Geschwindigkeit $v$ des Körpers ab. Wie jede Energieform hat auch die Bewegungsenergie die Einheit Joule $(\pu{J})$.

Bewegungsenergie – Beispiele

Jeder Körper, der sich bewegt, hat eine kinetische Energie größer als null. Das kann ein Auto sein, ein Zug, oder ein Flugzeug. Auch ein Ball, der durch die Luft fliegt, oder ein Mensch, der läuft, hat kinetische Energie. Dabei ist die kinetische Energie größer, je größer die Masse oder die Geschwindigkeit des Körpers ist. Ein fliegendes Flugzeug hat also eine viel größere kinetische Energie als ein laufender Mensch.

Übertragung und Umwandlung von Bewegungsenergie

Natürlich kann auch die Bewegungsenergie eines Körpers auf einen anderen Körper übertragen oder in andere Energieformen umgewandelt werden. Das schauen wir uns nun an zwei Beispielen genauer an.

1. Beispiel – Fahrradfahren am Berg

Wenn du mit deinem Fahrrad fährst, dann musst du Muskelkraft aufbringen, um an Geschwindigkeit zu gewinnen. Wenn du eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht hast, kannst du auf gerader Strecke aber ganz entspannt radeln und hast eine bestimmte Bewegungsenergie – du musst nur noch Reibungsverluste ausgleichen. Wenn du nun über einen Berg fährst, musst du umso mehr Kraft aufwenden, je steiler der Berg ansteigt. Das liegt daran, dass beim Anstieg kinetische Energie in potenzielle Energie umgewandelt wird – denn diese nimmt zu, je höher du dich auf dem Berg befindest. Und je steiler der Anstieg ist, desto mehr Höhe gewinnst du pro Meter. Um trotzdem noch genug Bewegungsenergie zu haben, um voranzukommen, musst du viel Kraft aufbringen.
Bergab macht das Ganze dann wieder viel mehr Spaß: Da du an Höhe abnimmst, wird immer mehr potenzielle Energie in Bewegungsenergie umgewandelt. Du wirst also schneller, ohne dafür Kraft aufbringen zu müssen.

Bewegungsenergie und Lageenergie

2. Beispiel – Der Fahrraddynamo

Ein Fahrraddynamo ist ein kleiner Wechselstromgenerator. Durch die Bewegung des Fahrradreifens dreht sich ein kleiner Permanentmagnet, der sogenannte Rotor. Dieser ist im Falle eines klassischen Seitenläuferdynamos innerhalb einer Spule (Stator) gelagert, im Falle eines Nabendynamos dreht sich der Magnet um eine Spule. Das Funktionsprinzip ist aber in beiden Bauweisen gleich: Durch seine Bewegung und die damit verbundene Änderung des magnetischen Feldes induziert der Permanentmagnet eine Wechselspannung in der Spule. Die Bewegungsenergie des Reifens wird also auf den Permanentmagneten übertragen und durch die Funktionsweise des Dynamos in elektrische Energie umgewandelt. Man bezeichnet einen Dynamo daher auch als Energiewandler.

Und wozu dient nun die im Dynamo induzierte Spannung? In der Regel möchtest du damit deine Fahrradbeleuchtung betreiben. In der Lampe wird die elektrische Energie wieder umgewandelt: Diesmal in Lichtenergie oder auch Strahlungsenergie. Insbesondere in alten Glühlampen wird ein Teil der elektrischen Energie auch in Wärmeenergie umgewandelt. Auch eine Lampe ist ein Energiewandler.

Energieumwandlungen

Kurze Zusammenfassung vom Video Bewegung und Energie

In diesem Video erhältst du einen kurzen Überblick über die Bewegungsenergie. Außerdem wird dir gezeigt, wie die Bewegungsenergie in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Das wird detailliert am Beispiel Dynamo betrachtet. Auch zum Thema Bewegungsenergie findest du interaktive Aufgaben, an denen du dein neu gewonnenes Wissen sogleich testen kannst.

Transkript Energie bei der Bewegung

Auf der Erde ist alles in Bewegung. Da wird gekrabbelt, gerannt, geschwommen und geflogen. All diese Bewegungen erfordern Energie. Und um "Energie bei der Bewegung" geht es in diesem Video. Autos und Flugzeuge brauchen Treibstoff, um sich in Bewegung zu versetzen. So ist das bei jeder Bewegung – auch bei Tieren und Menschen. Wenn du nur ein paar Schritte machst, fällt dir das nicht gleich auf, aber wenn du den ganzen Tag draußen herumläufst oder Fahrrad fährst, wirst du abends merken, dass du ganz schön erschöpft und hungrig bist. Wir nehmen die Energie für unsere Bewegungen über die Nährstoffe in unserer Nahrung auf – das ist sozusagen unser Treibstoff. Die Energie, die du benötigst, um zu rennen oder zu springen, wird aber nicht einfach ausgestoßen oder verbraucht! Es findet eine "Energieumwandlung" statt. Die "chemische Energie", die in der Nahrung gespeichert ist, wird in "Bewegungsenergie" umgewandelt, wenn du deinen Körper oder etwas anderes bewegst. Durch diese Energie kann beschrieben werden, dass unterschiedliche Bewegungen auch unterschiedlich "energie-intensiv", also anstrengend sind. Deine Bewegungsenergie beim Rennen ist zum Beispiel größer als beim Gehen. Es wird also MEHR Energie benötigt, um sich mit einer GRÖẞEREN Geschwindigkeit zu bewegen. Wenn du dabei noch einen schweren Rucksack trägst, wird deine Bewegungsenergie NOCH größer sein. Es fühlt sich zwar nicht so an, als wäre deine Bewegungsenergie sonderlich groß, wenn du zum Beispiel keuchend und schwitzend ganz langsam einen Berg hochsteigst, aber die Anstrengung, die du dafür aufbringen musst, und die Menge an Energie, die du dafür in Form von Nahrung aufnehmen musst, sind deutliche Zeichen für die große Bewegungsenergie, die in deinem Aufstieg steckt. Neben der GESCHWINDIGKEIT der Bewegung spielt nämlich auch die MASSE des bewegten Körpers eine Rolle. Je größer die Geschwindigkeit der Bewegung und je größer die Masse des dabei bewegten Körpers, desto größer ist dessen Bewegungsenergie. Dabei macht es zusätzlich noch einen Unterschied, ob ein Körper nach oben, also entgegen der Schwerkraft der Erde, bewegt wird oder nicht. Wenn du etwas nach oben bewegst – dich selbst oder deinen Rucksack – wird die Energie, die du dafür benötigst nämlich nicht nur in Bewegungsenergie, sondern auch in LAGEENERGIE umgewandelt. Das ist die Energie, die aufgebracht werden muss, um der Schwerkraft der Erde entgegenzuwirken. Deshalb ist es zum Beispiel auch deutlich anstrengender, mit dem Fahrrad bergAUF zu fahren, als bergab. Beim BergABfahren wird dann aber zusätzlich zu der chemischen Energie, die in deinem Körper steckt, auch die LAGEENERGIE wieder in Bewegungsenergie umgewandelt. Deshalb musst du kaum oder gar nicht treten und erreichst trotzdem eine große Bewegungsenergie. Solche Energie-UMWANDLUNGEN funktionieren auch mit anderen Energieformen: Beispielsweise kann beim Fahrradfahren ein Teil deiner Bewegungsenergie durch den Dynamo in ELEKTRISCHE Energie und dann in Licht umgewandelt werden. Neben Energie-UMWANDLUNGEN findet beim Fahrradfahren außerdem eine Energie-ÜBERTRAGUNG statt. Denn die Bewegungsenergie, die im Treten deiner Beine steckt, wird auf die Pedale, die Kette, und schließlich die Räder des Fahrrads ÜBERTRAGEN. Die Bewegungsenergie wird hier also nicht in andere Energieformen umgewandelt, sondern geht von deinem Körper auf die beweglichen Teile des Fahrrads ÜBER. Das klappt im wahrsten Sinne des Wortes nicht "reibungslos", denn die Reibung zwischen den einzelnen Teilen der Mechanik stellt einen Widerstand für die Energieübertragung dar. Deshalb fährt es sich viel schwerer mit einer verrosteten Kette und verbogenen Speichen. Manchmal strampelt man sich voll einen ab und kommt doch nicht richtig voran! Da kann es effektiver sein, einfach zu Fuß zu laufen. Fassen wir zusammen: Um in Bewegung zu kommen, ist Energie notwendig. Es findet eine "Energieumwandlung" statt, bei der Energie zum Beispiel aus Nährstoffen oder einem Treibstoff in "Bewegungsenergie" umgewandelt wird. "Bewegungsenergie" kann auf andere Körper ÜBERTRAGEN werden, um diese ebenfalls in Bewegung zu versetzen. Je größer Geschwindigkeit und Masse des bewegten Körpers sind, desto größer ist dessen Bewegungsenergie, und umso mehr Energie muss umgewandelt werden, um diese Bewegungsenergie zu erreichen. Je nach Umgebung und Ziel der Bewegung können unterschiedliche Formen der Bewegung vorteilhaft sein. Dabei haben diese auch einen unterschiedlichen Energiebedarf. Deshalb müssen manche Tiere unglaubliche Mengen fressen, während ANDERE Vorräte hamstern, um sich am Ende DOCH kaum zu bewegen.

8 Kommentare
8 Kommentare
  1. danke

    Von Maki, vor etwa einem Monat
  2. Sehr hilfreich

    Von Nils, vor 3 Monaten
  3. toll

    Von Ismail, vor 8 Monaten
  4. Mega!!!!😍❤️

    Von Mia Christina, vor 10 Monaten
  5. Tolles Video 👍🏻

    Von Lenya Matea, vor etwa einem Jahr
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Energie bei der Bewegung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Energie bei der Bewegung kannst du es wiederholen und üben.
  • Bestimme, welche Faktoren die Bewegungsenergie beeinflussen.

    Tipps

    Jeder Körper, der sich in Bewegung befindet, trägt eine Bewegungsenergie, die immer größer als null ist. Diese Regel gilt für verschiedene Arten von Transportmitteln wie Autos, Züge oder Flugzeuge. Auch ein Ball, der durch die Luft fliegt, oder ein Mensch, der läuft, besitzt Bewegungsenergie aufgrund seiner Bewegung.

    Vergleiche nun einmal ein Kind mit einem Erwachsenen: Wer von beiden verbraucht mehr Energie beim Laufen?

    Lösung

    Jeder Körper, der sich in Bewegung befindet, trägt eine Bewegungsenergie, die immer größer als null ist. Diese Regel gilt für verschiedene Arten von Transportmitteln wie Autos, Züge oder Flugzeuge. Auch ein Ball, der durch die Luft fliegt, oder ein Mensch, der läuft, besitzt Bewegungsenergie aufgrund seiner Bewegung. Die Bewegungsenergie eines Körpers hängt von dessen Masse und Geschwindigkeit ab. Demnach besitzt ein Körper mit höherer Masse oder Geschwindigkeit auch eine größere Bewegungsenergie. Zum Beispiel hat ein Flugzeug, das durch die Luft fliegt, aufgrund seiner hohen Geschwindigkeit und Masse eine wesentlich größere Bewegungsenergie als ein Mensch, der auf der Erde läuft.

    • Je größer die Geschwindigkeit und die Masse des bewegten Körpers, desto größer ist dessen Bewegungsenergie.
    $\rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.

    • Je kleiner die Geschwindigkeit und je größer die Masse des bewegten Körpers, desto größer ist dessen Bewegungsenergie.
    $\rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.

    • Je kleiner die Geschwindigkeit und die Masse des bewegten Körpers, desto größer ist dessen Bewegungsenergie.
    $\rightarrow$ Diese Antwort ist ebenfalls falsch.

    • Je größer die Geschwindigkeit und je kleiner die Masse des bewegten Körpers, desto größer ist dessen Bewegungsenergie.
    $\rightarrow$ Diese Antwort ist auch falsch.

  • Erkläre die Energieumwandlung beim Überfahren eines Berges.

    Tipps

    Achte auf die Beschreibungen der verschiedenen Szenarien im Text (z. B. bergauf, bergab, gerade Strecke), um zu verstehen, wie sich die Bewegungsenergie und die Lageenergie ändern.

    Beachte die Beschreibungen der verschiedenen Kräfte, die auf das Fahrrad und die Rad fahrende Person wirken (z. B. Reibungskräfte), um zu verstehen, wie sie die Bewegungsenergie beeinflussen.

    Konzentriere dich darauf, welche Konsequenzen die Änderung der Energiearten in verschiedenen Szenarien für die Rad fahrende Person hat. Zum Beispiel muss sie bergauf mehr Kraft aufwenden, um genug Bewegungsenergie zu haben, um voranzukommen, während sie bergab schneller wird, ohne dafür Kraft aufwenden zu müssen.

    Lösung

    Wenn du mit deinem Fahrrad bergab fährst, dann wird die Lageenergie in Bewegungsenergie umgewandelt. Das bedeutet, dass du schneller wirst, ohne dass du zusätzliche Kraft aufbringen musst. Je steiler der Berg ist, desto mehr Kraft musst du beim Bergauffahren aufwenden, um trotz des Verlusts an Bewegungsenergie durch die Erhöhung der Lageenergie voranzukommen.

  • Ordne ein, welche der dargestellten Dinge Bewegungsenergie haben.

    Tipps

    Überlege dir noch einmal genau, wann ein Körper Bewegungsenergie besitzt: Was macht der Körper?

    Jeder Körper, der sich in Bewegung befindet, trägt eine Bewegungsenergie, die immer größer als null ist.

    Überlege dir nun also, welches der beschriebenen Dinge bzw. Objekte sich in Bewegung befindet.

    Lösung

    Jeder Körper, der sich in Bewegung befindet, trägt eine Bewegungsenergie, die immer größer als null ist.


    Diese Dinge bzw. Objekte besitzen keine Bewegungsenergie $\color{#FF66FF}{\blacksquare}$:

    • eine Mauer
    Eine Mauer ist nicht in Bewegung und hat gar keine Bewegungsenergie.
    • ein Buch auf einem Regal
    Ein Buch auf einem Regal befindet sich nicht in Bewegung. Es liegt auf dem Regal und hat gar keine Bewegungsenergie.
    • ein ruhender See
    Ein ruhender See bewegt sich nicht. Er ist in Ruhe und hat damit keine Bewegungsenergie.


    Folgendes besitzt Bewegungsenergie $\color{#99FF32}{\blacksquare}$:

    • ein fliegender Vogel
    Ein fliegender Vogel befindet sich in einer Bewegung, denn er fliegt. Somit hat der Vogel eine Bewegungsenergie.
  • Definiere, welches der dargestellten Objekte die größte Bewegungsenergie hat.

    Tipps

    Bewegungsenergie ist die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Bewegung hat. Ein Objekt mit höherer Geschwindigkeit hat normalerweise mehr Bewegungsenergie als ein Objekt mit niedrigerer Geschwindigkeit.

    Masse ist auch ein Faktor, der die Bewegungsenergie beeinflusst: Ein Objekt mit höherer Masse hat normalerweise mehr Bewegungsenergie als ein Objekt mit niedrigerer Masse, wenn beide die gleiche Geschwindigkeit haben.

    Überlege, welche der vier Objekte die höchste Geschwindigkeit und/oder die höchste Masse haben. Diese Objekte haben wahrscheinlich die höchste Bewegungsenergie.

    Denke darüber nach, wie die Objekte in der Realität verwendet werden. Zum Beispiel ist ein Flugzeug viel größer und schneller als ein Auto, was darauf hinweist, dass es mehr Bewegungsenergie hat.

    Überlege, wie schnell ein Ball ist und wie viel Masse er hat. Vergleiche das mit einem Auto, einem Flugzeug und einem Menschen und ordne die Objekte entsprechend ihrer Bewegungsenergie.

    Lösung

    Die Bewegungsenergie eines Objekts hängt von seiner Masse und seiner Geschwindigkeit ab. Um die Bewegungsenergie zu bestimmen, benötigen wir also sowohl die Masse als auch die Geschwindigkeit des Objekts. Anhand dieser Informationen können wir die Energie berechnen, die das Objekt aufgrund seiner Bewegung besitzt.

    Wenn wir uns die verschiedenen Objekte ansehen, dann können wir sehen, dass das Flugzeug die höchste Bewegungsenergie hat. Dies liegt daran, dass es eine sehr hohe Geschwindigkeit und eine enorme Masse hat. Das Auto hat ebenfalls eine hohe Bewegungsenergie aufgrund seiner Geschwindigkeit und Masse. Vergleicht man nun den Ball und den Menschen, die die gleiche Geschwindigkeit haben, erkennt man, dass der Mensch aufgrund seiner höheren Masse eine höhere Bewegungsenergie hat als der Ball.

    Daher können wir die Objekte entsprechend ihrer Bewegungsenergie ordnen: beginnend mit dem Objekt mit der niedrigsten Energie, nämlich dem Ball, gefolgt vom Menschen, dem Auto und schließlich dem Flugzeug, das die größte Bewegungsenergie besitzt.

  • Nenne die zwei Faktoren, von welchen die Bewegungsenergie abhängig ist.

    Tipps

    Überlege dir, welche Faktoren die Bewegung eines Objekts beeinflussen können.

    Stelle dir verschiedene Beispiele vor, um zu verstehen, wie sich die genannten Faktoren auf die Bewegungsenergie auswirken.

    Dafür stehen die einzelnen Bilder:

    • der Farbklecks für Farbe
    • das Lineal für Länge
    • der Junge auf der Waage für Masse
    • die Schnecke und die Rakete für eine geringe bzw. hohe Geschwindigkeit
    Lösung

    Jeder Körper, der sich in Bewegung befindet, trägt eine Bewegungsenergie, die immer größer als null ist. Diese Regel gilt für verschiedene Arten von Transportmitteln wie Autos, Züge oder Flugzeuge. Auch ein Ball, der durch die Luft fliegt, oder ein Mensch, der läuft, besitzt Bewegungsenergie aufgrund seiner Bewegung. Die Bewegungsenergie eines Körpers hängt von der Masse und Geschwindigkeit ab. Demnach besitzt ein Körper mit höherer Masse oder Geschwindigkeit auch eine größere kinetische Energie (= Bewegungsenergie). Zum Beispiel hat ein Flugzeug, das durch die Luft fliegt, aufgrund seiner hohen Geschwindigkeit und Masse eine wesentlich größere Bewegungsenergie als ein Mensch, der auf der Erde läuft.

  • Analysiere, welche der folgenden Energieformen auf die beschriebenen Gegenstände, Subjekte bzw. Phänomene zutrifft.

    Tipps

    Unterscheide zwischen den verschiedenen Energietypen:

    • Bewegungsenergie ist die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Bewegung besitzt.
    • Lageenergie ist die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Position oder Höhe besitzt.
    • Elektrische Energie ist die Energie, die durch den Fluss von Elektronen in einem Stromkreis erzeugt wird.
    • Wärmeenergie ist die Energie, die durch Wärme erzeugt wird.

    Betrachte jedes Objekt, Subjekt bzw. Phänomen einzeln und identifiziere, welche Art von Energie es besitzt bzw. was seine Funktion ist.

    Lösung

    Jeder Körper, der sich in Bewegung befindet, trägt eine Bewegungsenergie, die immer größer als null ist.
    Somit gehören zur Bewegungsenergie:

    • eine Person, die Fahrrad fährt
    • ein Auto in Fahrt
    • ein Flugzeug in Bewegung

    Ein Körper, der sich auf einer erhöhten Position befindet, hat das Potenzial, Arbeit zu verrichten. Das liegt daran, dass er die notwendige Energie besitzt, um Arbeit zu leisten, jedoch nicht automatisch arbeitet.
    Darum zählen zur Lageenergie:
    • ein Stein auf einer Mauer
    • ein Ball auf einem hohen Regal

    Elektrische Energie bezeichnet die Energie, die durch den Transport von Elektrizität übertragen wird oder in elektrischen Feldern gespeichert ist.
    Damit gehören zur elektrischen Energie:
    • eine Batterie, die Strom liefert
    • Blitze am Himmel

    Wärmeenergie ist eine Form von Energie, die auf die Bewegungsenergie der Teilchen zurückzuführen ist, aus denen ein Stoff besteht: Je höher die Temperatur eines Stoffes ist, desto schneller bewegen sich die Teilchen in ihm und desto höher ist ihre Bewegungsenergie. Die Wärmeenergie eines Körpers hängt also von seiner Temperatur ab. Wärmeenergie entsteht durch Wärmeübertragung.
    Deshalb zählen zur Wärmeenergie:
    • eine Heizung, die Wärme abstrahlt
    • ein Feuer im Kamin