Physik - ftb

GIBZ
Gewerblich-industrielles
Bildungszentrum ZUG
4.3
KON2/PM2/AU2
Physik
Kraft, Arbeit, Energie, Leistung
Kraft:
Die Erdanziehung sorgt dafür, dass auf jeden Körper Gewichtskraft ausgeübt wird. Wenn wir
von einem Staudamm einen Stein fallen lassen, wird dieser so lange beschleunigt bis er auf
die Erde fällt. Wenn wir im Auto das Gaspedal hinunterdrücken, wird dem Motor mehr Benzin
(chemische Energie) zugeführt und es wird mehr Kraft auf die Kurbelwelle und somit auf die
Räder ausgeübt. Das Auto beschleunigt. Im luftleeren und schwerelosen Weltall sorgt ein
Düsenschub dafür, dass eine Rakete beschleunigt wird.
1. Wirkung einer Kraft:
Beschleunigung.
F=m*a
wobei
F = Kraft in N
m = Masse in kg
a = Beschleunigung in m/s2
2. Wirkung einer Kraft:
Verformung
Wenn wir ein Rohr in einen Schraubstock einspannen und
Kraft darauf ausüben, verbiegt sich das Rohr.
Arbeit:
Ein Gabelstapler hebt einen Elektromotor mit
einer Masse von 850 kg. Die Gewichtskraft
des Motors beträgt F = m * g
= 850 kg x 10 m/s2 = 8500 kgm/s2 = 8500 N.
Genau diese Kraft muss der Stapler
aufwenden um den Motor zu heben.
Um den Motor 1 m anzuheben verrichtet er
8500 Nm Arbeit, ist der Motor um 2 m
angehoben, hat die Maschine 17000 Nm
Arbeit verrichtet.
Die geleistete Arbeit berechnet sich nach:
W=F*s
wobei
W = Arbeit in Nm
F = aufgewendete Kraft in N
s = Weg in m
Kap. 4.3: Kraft, Arbeit, Energie, Leistung
Seite 57
GIBZ
Gewerblich-industrielles
Bildungszentrum ZUG
Physik
KON2/PM2/AU2
Energie
Energie ist gespeicherte Arbeit, das heisst, die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten.
Ein Felsbrocken in 20 m Höhe hat so viel Energie, dass er beim Absturz ohne weiteres ein
Auto oder ein Haus zerstören kann. Die tödliche Wirkung einer Gewehrkugel beruht darauf,
dass sie sich mit hoher Geschwindigkeit fortbewegt.
Bei der rein mechanischen Energie wird unterschieden zwischen
a)
potentielle Energie (Energie der Lage)
z.B. schwebende Lasten, gespannte Federn, Wasser in einem Speicherbecken.
Damit diese Energie wirksam wird, braucht es einen Auslöser (z.B. Seilriss), die
Energie wird danach in den meisten Fällen in Bewegungsenergie umgewandelt.
Die potentielle Energie (Wp) berechnet sich nach
Wp = F G * s
z.B. ein 20 kg schwerer Stein (Masse = 20 kg) liegt auf 45 m Höhe. Seine potentielle
Energie beträgt:
FG = m * g = 20 kg * 10 m/s2 = 200 N
Wp = FG * s = 200 N x 45 m = 9000 Nm
b)
kinetische Energie (Energie der Bewegung).
Jede bewegte Masse enthält Energie (fahrendes Auto, fallender Stein) Die kinetische
Energie (Wkin) berechnet sich nach:
m * v2
Wkin = ----------2
Welche kinetische Energie hat nun unser Stein (Beispiel a) beim Aufprall auf den
Boden?
Als erstes berechnen wir die Falldauer:
s=
v0 + vt
---------- * t
2
v0 = 0 m/s
s = 0,5 * vt * t
vt = g * t = 10 * t
s = 45 m = 0,5 * 10 * t * t
Kap. 4.3: Kraft, Arbeit, Energie, Leistung
45 m = 5 * t 2

t=3s
Seite 58
GIBZ
Gewerblich-industrielles
Bildungszentrum ZUG
KON2/PM2/AU2
Physik
Danach berechnen wir die Endgeschwindigkeit des Steins, diese beträgt
vt = g * t = 10 * 3 = 30 m/s
Seine kinetische Energie beim Aufprall beträgt nun:
m * v2
Wkin = --------- =
2
20 * 900
-------------- = 9000 Nm
2
Die gesamte potentielle Energie ist also in kinetische Energie umgewandelt worden.
Leistung:
Zeit ist Geld. Wenn der oben erwähnte Gabelstapler eine Stunde brauchen würde um
den Motor um einen Meter anzuheben, wäre das nicht sehr wirtschaftlich. Wir sehen
also, dass auch die Zeit, in welcher eine Arbeit verrichtet wird eine Rolle spielt. Diese
Eigenschaft nennen wir Leistung, Symbol P.
Leistung ist also Energie/Arbeit pro Zeiteinheit
Die klassische Einheit für Leistung war die Pferdestärke PS, Definition:
75 kg in einer Sekunde um einen Meter heben.
Obwohl man sie noch regelmässig hört wird diese Einheit in der Mechanik nicht mehr
benutzt. Sie wurde durch Watt (W) ersetzt.
Nm
1 W = 1 ----s
Wie beträgt der Umrechnungsfaktor (von PS nach kW)?
Zusammenfassung:
Kraft = Masse * Beschleunigung
Arbeit = Kraft * Weg
Energie = gespeicherte Arbeit
Leistung = Energie / Zeit
Kap. 4.3: Kraft, Arbeit, Energie, Leistung
Seite 59