Kapitel 4 (Arbeitsfolien) - Lehrstuhl für Didaktik der Physik
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LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4 Arbeit, Energie, Leistung 4.0 Exkurs: Skalarprodukt 4.1 Arbeit 4.2 Energie 4.3 Energieformen 4.4 Leistung 4.5 Wegunabhängige Arbeit, konservative Kräfte 4.6 Energiesatz der Mechanik 4.7 Einfache Maschinen R. Girwidz LMU 1 LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4 Arbeit, Energie, Leistung Exkurs: Skalarprodukt Skalarprodukt mit Zwischenwinkel: a b a b cos a , b ab cos Im kartesischen Koordinatensystem: a x bx a b a y b y a x bx a y b y a z b z a z bz Skalarprodukt grafisch: R. Girwidz 2 1 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.1 Arbeit Der physikalische Arbeitsbegriff unterscheidet sich vom alltagssprachlichen Kriterien: Eine Kraft wirkt über eine bestimmte Strecke hinweg Ortsänderung – evtl. Bewegungszustand geändert R. Girwidz LMU 3 LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.1 Arbeit Der physikalische Arbeitsbegriff unterscheidet sich vom alltagssprachlichen Kriterien: Eine Kraft wirkt über eine bestimmte Strecke hinweg Ortsänderung – evtl. Bewegungszustand geändert Verschiebt eine Kraft F einen Körper um eine Wegstrecke ds, so verrichtet sie mechanische Arbeit dW. dW F ds R. Girwidz 4 2 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.1 Arbeit R. Girwidz LMU 5 LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.2 Energie Versuch: Wagen kann an schiefer Ebene 2 Wägen anheben Sprungscheibe "Klick" Wagen kann schiefe Ebene hochfahren Körper kann Körper heben (Flaschenzug) R. Girwidz 6 3 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.2 Energie Versuch: Wagen kann an schiefer Ebene 2 Wägen anheben Sprungscheibe "Klick" Wagen kann schiefe Ebene hochfahren Körper kann Körper heben (Flaschenzug) Grobverständnis: Unter der Energie eines Systems versteht man dessen Fähigkeit Arbeit zu verrichten (sein „Arbeitsvermögen“) aber Feynman: "It is important to realize that in physics today, we have no knowledge of what energy is . . . " Energie ist notwendig für Veränderungen dabei kommt es zur Umwandlung von Energieformen R. Girwidz LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 7 4.3 Energieformen Grundformen: Kinetische Energieformen (Bewegungsenergie) Potentielle Energieformen („Lageenergie“) R. Girwidz 8 4 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.3 Energieformen b) Hubarbeit und Höhenenergie c) Spannenergie einer Feder R. Girwidz LMU 9 LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.3 Energieformen Weitere Energieformen: Rotationsenergie ((„Wärme“)) / Innere Energie Elektrische Energie Magnetische Feldenergie Strahlungsenergie Chemische Energie / Bindungsenergie Kernenergie / Bindungsenergie der Nukleonen R. Girwidz 10 5 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.3 Energieformen Quellen für unseren Energiebedarf: Chemische Energie Fossile Energieträger (Holz, Kohle, Öl, Gas), chemische Zellen (z. B. Blei-Akku, Zinkchlorid-Batterien) Wasserstoff-Verbrennung Kernenergie Kernspaltung und Kernfusion Mechanische Energie Wasser, Wind Strahlungsenergie Solarstrahlung Wärmetauscher Erdwärme, Temperaturunterschiede des Meeres (Reduktion von Verlustenergie) Nutzung von Abwärme R. Girwidz LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 11 4.3 Energieformen Heizwerte - pro kg Benzin 44 MJ Heizöl 42 MJ Erdgas 36 MJ Steinkohle Braunkohle Holz Rinde / Holzschnitzel R. Girwidz 24-30 MJ 20 MJ 14-18 MJ 6 - 8 MJ 12 6 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.3 Energieformen Größenordnung einiger Energie-"Portionen" Gravitationsenergie zw. Schülern 10-6 J Geflüstertes Einsagen 10-3 J Hufeisenmagnet 101 J KFZ (voller Tank) 106 J Blitz 109 J 90 Jahre Nahrung 1010 J Atombombe 1013 J Wasserstoffbombe 1016 J R. Girwidz LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 13 4.3 Energieformen Verbrennungswärme der Nährstoffe Kohlenhydrate, Eiweiß ca. 16 kJ / g Fett ca. 38 kJ / g Energieinhalt (Nährwert) von Speisen – pro 100 g Schokolade 2300 kJ Brot 1000 kJ Schnitzel 1000 kJ Spagetti 1600 kJ Kartoffeln Kostmaß pro Tag: R. Girwidz 410 kJ ca. 500 g Kohlenhydrate ca. 60 g Fette ca. 120 g Eiweiß Verbrennung meist unvollständig 14 7 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.4 Leistung Leistung: Arbeit, die pro Zeitintervall verrichtet wird P dW d F ds F v dt dt falls F zeitunabhängig R. Girwidz LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 15 4.4 Leistung Menschliche Leistungen (Messung z. B. mit Ergometern) R. Girwidz 75 W ganztägig 150 W ca. 5 h 300 W ca. 30 Min 750 W ca. 1 Min 1500 W ca. 5 s 16 8 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.4 Leistung Leistungswerte Kraftwerke ca. 1000 MW ca. 10 MW ca. 100 kW Motoren - Flugzeuge - PKW Energieaufkommen / Leistung je Bürger (Tagesmittel) Nahrungsverbrauch (über 1 Tag gemittelt) - Schwerarbeiter - Durchschnittsbürger 6 kW ca. 200 W ca. 120 W Glühlampen ca. Mensch ca. 1000 W ca. 70 W - (Höchstleistung wenig s) - (Dauerleistung: Gehen mit 5 km/h) 60 W Akustik (Sprechen) ca. 10 µW Empfindlichkeitsgrenze für Wärmestrahlungsdetektoren ca. Hörschwelle des Ohres bei 1000 Hz ca. 0,1 fW R. Girwidz LMU ca. LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 1 pW 17 4.4 Leistung Wirkungsgrad: Wirkungsgrad : R. Girwidz verrichtete (mech.) Arbeit zugeführte Energie 18 9 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.4 Leistung Energieumsatz des erwachsenen Menschen (60kg) pro Stunde niedrigster Verbrauch ca. 250 kJ Zimmerruhe, gew. Kost ca. 360 kJ bei mäßiger Arbeit ca. 420 kJ bei starker Arbeit ca. 630 kJ „Wirkungsgrad“ des Menschen: Wirkungsgr ad : verrichtete mech. Arbeit 20% Stoffwechs el Energieums atz Vergleich der Energieumsätze beim Gehen in der Ebene und beim Heben des Körpers (Bergsteigen) über gleiche Zeiträume. R. Girwidz LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 19 4.5 Weg unabhängige Arbeit, konservative Kräfte Eine Kraft heißt konservativ, wenn die gesamte Arbeit entlang eines beliebigen, geschlossenen Weges gleich null ist. F ds 0 R. Girwidz 20 10 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.5 Weg unabhängige Arbeit, konservative Kräfte Die Arbeit, die eine konservative Kraft an einem Massenpunkt verrichtet, ist unabhängig davon, auf welchem Weg sich der Massenpunkt von einem Ort zu einem anderen bewegt. Epot F ds B A F : Kraft im System F : von außen aufzubringende Kraft Nur für konservative Kraftfelder ist eine pot. Energie definierbar R. Girwidz LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 21 4.5 Weg unabhängige Arbeit, konservative Kräfte Potentielle Energie und Gleichgewicht (in einer Dimension) E pot F ds Versuch: Stehaufmännchen Fx dx Fx dE pot dx Statisches Gleichgewicht: R. Girwidz 22 11 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.6 Energiesatz der Mechanik R. Girwidz LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 23 4.6 Energiesatz der Mechanik Energiesatz der Mechanik In einem abgeschlossenen System (unter der Voraussetzung, dass nur konservative Kräfte wirken) bleibt die Summe aus kin. und pot. Energie konstant, d. h. die mechanische Gesamtenergie bleibt unverändert. EGes 0 Ekin E pot Die von einer nichtkonservativen Kraft verrichtete Arbeit entspricht der Änderung der mechanischen Gesamtenergie des Systems R. Girwidz 24 12 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.6 Energiesatz der Mechanik Beispiel Überschlagbahn: Wie groß muss man h mindestens wählen R. Girwidz LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 25 4.6 Energiesatz der Mechanik Kraftverlauf R. Girwidz Potentialverlauf 26 13 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.6 Energiesatz der Mechanik Kinderrutsche R. Girwidz LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 27 4.6 Energiesatz der Mechanik Perpetuum Mobile M. C. Escher R. Girwidz 28 14 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.6 Energiesatz der Mechanik Perpetuum Mobile R. Girwidz LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 29 4.6 Energiesatz der Mechanik Perpetuum Mobile R. Girwidz 30 15 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.6 Energiesatz der Mechanik Perpetuum Mobile R. Girwidz LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 31 4.6 Energiesatz der Mechanik Perpetuum Mobile R. Girwidz 32 16 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.6 Energiesatz der Mechanik Perpetuum Mobile R. Girwidz LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 33 4.6 Energiesatz der Mechanik Perpetuum Mobile R. Girwidz 34 17 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.6 Energiesatz der Mechanik Perpetuum Mobile R. Girwidz LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 35 4.6 Energiesatz der Mechanik Perpetuum Mobile R. Girwidz 36 18 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.6 Energiesatz der Mechanik Perpetuum Mobile R. Girwidz LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 37 4.7 Einfache Maschinen Prinzip bei mechanischen Maschinen: Durch Vergrößerung des Weges genügt bei gleicher Arbeit eine geringere Kraft. W F s konst R. Girwidz 38 19 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.7 Einfache Maschinen 1. Beispiel: Schiefe Ebene R. Girwidz LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 39 4.7 Einfache Maschinen 1. Beispiel: Schiefe Ebene R. Girwidz 40 20 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.7 Einfache Maschinen 2. Beispiel: Hebel R. Girwidz LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 41 4.7 Einfache Maschinen 3. Beispiel: Flaschenzug R. Girwidz 42 21 LMU LUDWIGMAXIMILIANSUNIVERSITÄT MÜNCHEN 4.7 Einfache Maschinen Goldene Regel der Mechanik: Für Maschinen gilt: Was an Kraft „gewonnen“ wird, geht an Weg „verloren“ R. Girwidz 43 22
