Potentielle und kinetische Energie (Physik)

In diesem Abschnitt beschäftigen wir uns mit der potentiellen Energie und der kinetischen Energie. In diesem Zusammenhang gehen wir auch auf den Begriff der Arbeit ein.

Den Begriff "Arbeit" kennt jeder aus seinem Alltag. Man macht seine Arbeit, für viele Menschen entspricht das acht Stunden in einem Büro sitzen und den eigenen Beruf ausüben. In der Physik gibt es ebenfalls eine Arbeit. Diese bezieht sich jedoch darauf, wie viel Energie benötigt wird, um ein Objekt zu schieben oder zu heben. Die Arbeit wird in Joule, Newton-Meter oder auch in kgm²:s² angegeben. Die drei Angaben drücken das selbe aus, beim Rechnen kann nur der Einsatz der einen oder anderen Schreibweise interessant sein. Nochmal zum mit schreiben:

Ich bemühe mich im nun Folgenden die kinetische und potentielle Energie möglichst einfach zu eklären. Solltet ihr Probleme beim Verständnis haben, Rate ich euch die folgenden Artikel noch einmal zu lesen. Diese enthalten Wissen, welches beim Verständnis zur Energie hilfreich sein sollten:

• Mathematik: Lineare Gleichungen
• Physik: Gleichmäßig beschleunigte Bewegung
• Physik: Kraft / Kräfte nach Isaac Newton

Potentielle und kinetische Energie:
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Potentielle Energie, Kinetische Energie

Kommen wir zur potentiellen Energie. Darunter versteht man die Energie, welche man aufbringen muss, um ein Objekt eine gewisse Höhe zu heben. Beispiel: Ich hebe den Fernseher um 1 Meter nach oben, um diesen auf den Tisch zu stellen. Wie viel Arbeit muss ich dafür aufwenden? Die Antwort liefert die Formel zur potentiellen Energie.

Potentielle Energie berechnen:

• W_POT = m · g · h
• "W_POT" ist die potentielle Energie in Newton-Meter [ Nm ]
• "m" ist die Masse des Körpers, der gehoben wird, in Kilogramm [ kg ]
• "g" ist die Erdbeschleunigung, g = 9,81m/s² [ m / s² ]
• "h" ist die Höhe, um die das Objekt angehoben wird in Meter [ m ]

Setzt man Masse, Erdbeschleunigung und Höhe in die Formel ein, erhält man die potentielle Energie. Lässt man nun das Objekt fallen, wird dieses immer schneller (da die Erdbeschleunigung das Objekt beschleunigt). Mit der kinetischen Energie kann man nun die Geschwindigkeit rechnen, welche das Objekt beim Aufschlag auf den Boden hat. Beispiel: Ihr hebt einen Fernseher um 1 Meter hoch und lasst ihn - natürlich aus versehen - runter fallen. Die potentielle Energie habt ihr mit der Formel von eben rechnen können. Diese Energie setzt ihr nun bei der Formel für die kinetische Energie ein und stellt diese Formel nach der Geschwindigkeit v um, um die Aufschlaggeschwindigkeit zu berechnen.

Kinetische Energie berechnen:

• W_KIN = 0,5 · m · v²
• W_KIN ist die kinetische Energie in Newton-Meter [ Nm ]
• "m" ist die Masse des Objektes in Kilogramm [ kg ]
• "v" ist die Geschwindigkeit in Meter pro Sekunde [ m / s ]

Beispiel:
Ein 3 kg schwerer Klotz fällt aus einem Flugzeug, welches 10 km über dem Boden fliegt. Mit welcher Geschwindigkeit schlägt der Klotz auf dem Boden auf, sofern man den Luftwiderstand vernachlässigt?

Lösung: Wir benutzen die Formeln zur potentiellen und kinetischen Energie, um die Geschwindigkeit zu berechnen. Dies Berechnung sieht wie folgt aus:

Arbeit, Kraft und Strecke

Nicht nur beim Heben eines Objektes wird Arbeit verrichtet. Auch wenn man ein Objekt auf dem Boden schiebt, muss man Arbeit verrichten. Dabei gibt es eine Formel, die Arbeit, Kraft und Strecke miteinander verbindet.

Arbeit bei einer Strecke berechnen:

• W = F · s
• "W" ist dabei die zu verrichtende Arbeit in Newton-Meter [ Nm]
• "F" ist die Kraft in Newton [ N ]
• "s" ist die Strecke, die das Objekt geschoben wird, in Meter [ m ]

Beispiel:

Ein Körper wird mit der Kraft 100 N eine Strecke von 80 Metern geschoben. Wie viel Arbeit wurde verrichtet?

Lösung: Wir entnehmen alle Angaben für die Berechnung dem Text und setzen diese in die zugehörige Formel ein:

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