Big Bang 2, Schulbuch

120 A15 B 6.6 : Mit der chemischen Energie deiner Muskeln hebst du die kleine Kugel in die Höhe und speicherst in ihr Hebeenergie. B 6.7 : Die Hebeenergie des Wassers wandelt sich auf Grund des Höhenunterschiedes in Bewegungsenergie um. Das Wasser fließt durch die Turbine, und diese erzeugt elektrische Energie. B 6.8 : Die Bewegungsenergie des Balles wird in Verformungsener- gie umgewandelt. Dieser Moment ist auf dem Foto zu sehen. Dann entspannt sich der Ball wieder und bekommt seine Bewegungs- energie zurück. B 6.9 : Mit Hilfe der chemischen Energie der Muskeln wird der Bogen gespannt und bekommt Verformungsenergie. Dieser Moment ist in der Abbildung zu sehen. Wenn die Bogensehne ausgelassen wird, wird der Pfeil beschleunigt und bekommt Bewegungsenergie. A16  Erstens wird die Frage nicht beantwortet. Zweitens erzeugt Wärme nicht Energie, sondern Wärme ist bereits Energie, weil sie in Joule gemessen werden kann. A17  Der Springer wandelt zunächst beim Anlauf chemische Energie aus den Muskeln in Bewegungsenergie um ( a ). Wenn er sich aufschwingt, biegt sich der Stab sehr stark durch ( b ) und speichert Verformungsenergie. Wenn der Springer die Latte überquert ( c ), hat sich diese Energie in Lageenergie umgewandelt. A18  Wenn du die Hände aneinander reibst, dann wandelt sich die chemische Energie der Muskeln zunächst in Bewegungsenergie der Hände um. Diese wird durch die Reibung wiederum vollständig in Wärmeenergie umgewandelt. A19 1) Ohne Reibung rollt die Kugel immer auf exakt dieselbe Höhe hinauf ( a und b ). Die Bewegungsenergie vom tiefsten Punkt wird dann wieder vollständig in Hebeenergie umgewandelt. Das ist exakt so wie in B 6.14 . In diesem Fall würde die Kugel bei c unendlich weit rollen. Weil keine Energie verloren geht, bleibt die gesamte Energie in der Bewegungsenergie. Keine Reibung, keine Kräfte, keine Änderung in der Geschwindigkeit. Das ist das Trägheitsgesetz! 2) Wenn es Reibung gibt, dann entsteht auch immer Wärme. Diese ist ja auch eine Form von Energie und frisst daher nach und nach die Bewegungsenergie auf – die Kugel bleibt stehen. A20  In B 6.30 b fließt Energie aus der Maschine, und innen drinnen wird es weniger Energie. Das entspricht der Wirklichkeit. Im Fall c würde jedoch Energie rausfließen, aber innen drinnen würde die Energie gleich bleiben. Unter dem Strich wäre also Energie aus dem Nichts entstanden, und das verbietet der Energieerhaltungssatz. Fall c stellt daher ein unmögliches Perpetuum mobile dar. A21  Dieses Perpetuum mobile ist wohl das einfachste überhaupt und wurde bereits um 1670 vom Bischof von Chester ausgeheckt. Wenn aber der Magnet stark genug ist, um die Kugel die Rampe hinaufzuziehen, ist er dummerweise auch stark genug, um die Kugel davon abzuhalten, wieder hinunterzurollen! A22  Im Fall a kommt das Pendel am höchsten Punkt immer zum Stillstand, hat also keine Bewegungsenergie mehr. Im Fall b steht das Pendel rechts aber nicht ganz still. Es hat am höchsten Punkt eine kleine Horizontalgeschwindigkeit und somit auch Bewegungs- energie. Deshalb kann es gar nicht auf exakt dieselbe Höhe schwin- gen, weil ja sonst Energie dazukommen würde. A23  Damit dein Körper leben kann, muss er chemische Energie abbauen. Diese wird umgewandelt und verlässt den Körper in Form von Wärme. Deshalb sinkt die Energie im Inneren, und man muss wieder in Form von Nahrung „nachtanken“. Ein Hungerkünstler, der nicht essen muss, wäre die perfekte biologische Umsetzung eines Perpetuum mobile – und genau das gibt es eben nicht! Alle „Hungerkünstler“ essen heimlich! Nur wenn man tot ist, muss man nichts mehr essen! A24 a) Eine Minute hat 60 Sekunden, eine Stunde 60 Minuten und ein Tag 24 Stunden. Ein Tag hat daher 60 · 60 · 24 s = 86.400 s. b) 10.000 kJ sind 10.000.000 J. Ein Tag hat 86.400 s. Wenn eine Person einen Tagesbedarf von 10.000 kJ hat, dann arbeitet der Körper mit durchschnittlich 10.000.000 J/86.400 s ≈ 116 J/s = 116W. A25  Die Faustregel für den Grundumsatz lautet 1W prokg. Eine Person mit 40 kg hat also einen Grundumsatz von 40W. Dabei werden 40 J chemische Energie pro Sekunde letztlich in Wärme umgewandelt, die den Körper verlässt ( B 6.18 ). 15 Personen haben bereits in Ruhe eine Leistung von 600W. Wenn sie körperlich aktiv sind, kann der Wert auf ein Vielfaches steigen. Das Zimmer wird dann also mit vielen hundert Watt geheizt. Das ist so, als würde man ein Backrohr aufdrehen und die Frontklappe öffnen. A26 a) Der Körperschwerpunkt (KSP) ist ein gedachter Punkt, an dem sich die gesamte Masse eines Gegenstandes befindet. b) Wenn sich der KSP hebt, dann bedeutet das, dass sich der ganze Körper ein wenig hebt. Bei jedem Schritt wird also Hebearbeit verrichtet. Tatsächlich macht diese Hebearbeit den größten Brocken des Energiebedarfs beim Gehen aus. A27 a) Der Bildunterschrift zu B 6.26 kannst du entnehmen, dass ein fetter Blitz eine Leistung von einer Milliarde Watt (= 1.000.000.000W) hat und 1/10.000 s (= 0,0001 s) dauert. Wenn du P = W/t umformst, bekommst du W = P · t . Mit den Zahlen von oben erhältst du 100.000 J oder 100 kJ. b) In einem Blitz ist also nur doppelt so viel Energie wie in einem Stück Würfelzucker. Das verblüfft sehr! Der Grund für das große Spektakel bei einem Blitz ist der, dass diese Energie in so extrem kurzer Zeit (1/10.000 s) abfließt, und das führt zu dieser enormen Leistung. A28  Die chemische Energie deiner Muskeln wird zunächst in Bewegungsenergie umgewandelt. Wenn du dann aber wieder sitzt, bewegt sich nichts mehr. Es wurde auch nichts dauerhaft gehoben. Es gibt daher also weder Bewegungsenergie noch Hebeenergie. Die gesamte chemische Energie aus deinen Muskeln wurde in Wärme umgewandelt. Was man anhand dieses Beispiels sehr gut überlegen kann, gilt generell. Chemische Energie wandelt sich über kurz oder lang immer in Wärmeenergie um, die den Körper verlässt. Diese Wärme ist die Energie-Abgabe! A29  Es ist ähnlich wie bei der Halfpipe in B 6.14 , S. 49 : Du kannst maximal wieder genau bis zur Ausgangshöhe zurückkommen, und das wäre in diesem Fall Punkt C. In der Praxis geht durch die Reibung auch immer ein wenig Energie in Form von Wärme verloren. Deshalb wirst du etwas Schwung verlieren und nicht ganz bis C kommen. Die Hügel einer Achterbahn werden daher auch immer niedriger, je länger man fährt. Bis Punkt D kannst du niemals kommen, weil du dazu über den Hügel davor fahren müsstest – und dazu müsste Energie vom Himmel fallen! A30 a) 1% von 10.000 kJ sind 100 kJ. b) Wenn jeden Tag 100 kJ Überschuss in den Körper hineinfließen, macht das in einem Jahr 100 kJ · 365 = 36.500 kJ. Ein Kilogramm Körperfettgewebe hat 30.000 kJ. Dieser lächerliche Überschuss von 1% läppert sich also im Laufe eines Jahres auf über 1 kg Fett zusammen, das man zunimmt. c) 100 kJ entsprechen zwei Stück Zucker. Man kann also auch so sagen: Wenn man täglich bloß zwei Stück Zucker zu viel isst, nimmt man im Laufe eines Jahres über 1 kg zu. Kleinvieh macht also auch Mist! A31  Man nimmt dann zu, wenn die Energie-Aufnahme größer ist als die Energie-Abgabe. Das ist dann der Fall, wenn man zu viel isst (= zu viel Energie-Aufnahme) oder zu wenig Bewegung macht (= zu Lösungen Kapitel 6 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv