6 Der Energiebegriff 1 Arbeit und Energie Wie verwendest du das Wort „Arbeit“ im täglichen Leben? Bei vielen Tätigkeiten sprechen wir von Arbeit. Man sagt z. B.: „Die Gartenarbeit war sehr anstrengend.“ „Maria hat eine gute Schularbeit geschrieben.“ „Herr Müller arbeitet als Kraftfahrer.“ Ein Maurer oder eine Maurerin verrichten beim Heben eines Ziegels Arbeit. An einfachen Beispielen wollen wir nun erklären, was das Wort „Arbeit“ (work) in der Physik bedeutet. Hebst du eine Last, so überwindest du auf dem ganzen Weg die Schwerkraft. Schiebst du diese Last auf waagrechtem Boden vorwärts, so musst du die Reibung auf dem ganzen Weg überwinden. In beiden Fällen verrichtest du Arbeit im physikalischen Sinne. Arbeit wird auch verrichtet, wenn ein Bogen gespannt (Abb. 1.1) oder ein Stück Blech verformt wird. Ebenso wird beim Ziehen eines Wagens Arbeit im physikalischen Sinn vollbracht (Abb. 1.2). Ein Motor „arbeitet“, wenn er z. B. den Handysummer antreibt oder ein Auto bewegt. Für die Arbeit als physikalische Größe gilt daher: Arbeit wird verrichtet, wenn eine Kraft auf einen Körper längs eines Weges wirkt. Ist das Arbeit? Beim bloßen Halten eines Körpers in einer bestimmten Höhe musst du zwar Kraft aufwenden und wirst dabei müde. Physikalisch gesehen verrichtest du dabei aber noch keine Arbeit. Wie können wir nun die Größe der Arbeit berechnen? Wird z. B. ein Ball 1m hoch gehoben, so wird die Schwerkraft entlang dieses Weges überwunden. Wird der Ball 2m gehoben, wird die doppelte Arbeit verrichtet (Abb. 1.3). Wird ein zweimal so schwerer Ball 1m hoch gehoben, wird ebenfalls die doppelte Arbeit vollbracht. Die Arbeit (W) ist das Produkt aus Kraft (Fs ) in der Wegrichtung und Weg (s). Arbeit = Kraft in der Wegrichtung × Weg W = Fs· s Dabei ist für die Kraft immer jener Teil zu nehmen, der in der Wegrichtung wirkt (Abb. 1.2). Die Einheit der Arbeit wird nach dem englischen Physiker James Prescott Joule (1818–1889) benannt (Abb. 1.4): Die Einheit der Arbeit ist das Joule (J) (gesprochen: dschul). Die Arbeit 1 Joule wird verrichtet, wenn eine Kraft von 1N entlang eines Weges von 1m wirkt. 1 J = 1N · 1m = 1 Nm (Newtonmeter) 1 Am Beginn jedes Kapitels findest du eine „Einstiegsfrage“. Diese soll dein Interesse am jeweiligen Thema wecken. Wenn du das Kapitel aufmerksam durcharbeitest, findest du sicher eine Antwort. Manchmal ist es aber nicht ganz so einfach. Da musst du auch noch andere Quellen heranziehen. 1.2 Die Arbeit, die zum Ziehen des Wagens notwendig ist, bekommt man aus der Kraft in Bewegungsrichtung Fs und der Länge des Weges s, den er gezogen wurde. tatsächlich aufgewendete Kraft Anteil der Kraft in Bewegungsrichtung FS s F 1.1 Beim Spannen eines Bogens wird Arbeit verrichtet. 1.3 Wird der Ball doppelt so hoch gehoben, muss die doppelte Arbeit verrichtet werden. h 2 h Was ist der Unterschied zwischen Arbeit und Energie? 1 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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