Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

Leistung Wenn du beim Wandern einen Gipfel auf einem flachen oder einem steilen Anstieg erreichst, hast du immer dieselbe Hubarbeit verrichtet, doch verschieden viel Zeit gebraucht. Bei Bergrennen erreichen die meisten Teilnehmer das Ziel und verrich- ten dieselbe Hubarbeit, als Sieger gilt aber jener, der die Strecke in der kürzesten Zeit bewältigt hat. Es zählt daher nicht die verrichtete Arbeit, sondern wie schnell sie verrichtet wurde, es zählt die Leistung P . Leistung = verrichtete Arbeit _____________ benötigte Zeit P = W __ t Einheit: Watt (W) 1W = 1 J/s = 1 J · s ‒ 1 Im KFZ-Bereich wird oft die veraltete Einheit Pferdestärke (PS) verwendet, 1 PS entspricht 735W , etwa der Leistung eines Pferdes beim Ziehen einer Last. Die durchschnittliche Leistung, die ein kräftiger Mensch über längere Zeit aufbringen kann, heißt menschliche Dauerleistung und beträgt ca. 100W . Spitzensportler kön- nen kurzfristig Leistungen bis zum Zehnfachen erbringen. In Haushalt und Industrie haben elektrische Maschinen die schwere körperliche Arbeit ersetzt: Elektrische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt. Ein Handmixer hat eine Leistung von z. B. 300W – gewissermaßen ersetzt er drei Hilfskräfte in der Küche. Untersuche, überlege, forsche: 100-m-Sprint 64.1 W 1 a) Wie groß waren Usain Bolts mittlere Geschwindigkeit und mittlere Be- schleunigung auf den ersten 20m? (Nutze Daten der Tabelle 63.2. Luftwiderstand und andere Effekte bleiben unberücksichtigt.) W 1 b) Welche mittlere Kraft musste er dabei aufbringen? Wie groß war auf dieser Teilstrecke seine Leistung? Untersuche, überlege, forsche: Leistung beim Radfahren 64.2 Glocknerkönig wird bei der Österreichradrundfahrt, wer die 13 km lange Strecke von der Mautstelle Ferleiten (Seehöhe 1.151m) zum Fuschertörl (Seehöhe 2.429m) gewinnt. W 1 a) Welche Hubarbeit müsstest du für diese Strecke erbringen? W 1 b) Radrenn-Profis schaffen dies in ca. 50 Minuten. Welche Leistung erbringen die Profis? (Setze für die Masse von Fahrrad und Fahrer insgesamt 70 kg ein.) E 1 c) Miss deine körperliche Leistung durch einen Treppenlauf über ein bis zwei Stockwerke im Schulhaus und vergleiche mit der Leistung der Rad-Profis. 64.3 W 1 Auf den Packungen für Kristallzucker kannst du lesen, dass 100 Gramm Zucker 1 700 kJ an Energie (Brennwert) enthalten. Die „Zuckerenergie“ ist chemische Ener- gie. Wie viel Gramm Zucker dürfte sich der Glocknerkönig „gönnen“, um die Hubar- beit durch Zufuhr chemischer Energie zu ersetzen? Wieviele Dosen zuckerhaltige Limonade dürfte er trinken, um diese Energie zu ersetzen? Weitere Arten von Energie Mechanische Energie tritt in weiteren Formen auf. Energie der Drehbewegung, Rotationsenergie , ist in jedem rotierenden Rad und auch in der rotierenden Erde gespeichert. Beim Spannen eines Sportbogens, beim Trampolinspringen u. s. w. wird mechanische Arbeit als elastische Energie gespeichert, die anschließend zur Verrichtung von Arbeit, z. B. zum Beschleunigen eines Pfeils, genutzt wird. Chemische Energie wird im Organismus mittels Glukose und Fett gespeichert und steht als „Muskeltreibstoff“ zur Verfügung. In Erdöl ist chemische Energie gespei- chert, sie wird in „Motoren“ in mechanische Energie gewandelt. Mechanische Energie kann in elektrische Energie umgewandelt werden. Kernenergie ist in Atomkernen gespeichert und wird beim radioaktiven Zerfall oder bei der Spaltung von schweren Atomkernen frei. 64.1 Beim Treppenlauf auf den Donauturm (Wien) sind 150 Höhenmeter zu bewältigen. Die Siegerzeiten sind bei den Männern rd. 3 ½ Minuten, bei den Frauen 4 Minuten. Welche Leistung würdest du erreichen, wenn du den Treppenlauf gewinnen würdest? Mittlere Leistung in kW Mensch 0,1 Haushaltsgerät (Mixer) 0,3 Pferd 0,7 Elektroherd pro Kochfeld 1–2 Elektroherd – Backrohr 3 PKW (Kleinwagen) 50 Lokomotive 7 000 Airbus A380 3 · 10 4 Donaukraftwerk 3 · 10 5 Sonne 4 · 10 23 64.2 Mittlere Leistungen in kW 64.3 Fahrräder mit elektrischem Zusatzmotor werden immer beliebter. Am Besten wäre es, käme der Strom dafür weder aus Atom- noch aus kalorischen Kraftwerken. 64 ENERGIE/THERMODYNAMIK Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv