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Hub-Arbeit und kinetische Energie, Energieerhaltung.

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Präsentation zum Thema: "Hub-Arbeit und kinetische Energie, Energieerhaltung."—  Präsentation transkript:

1 Hub-Arbeit und kinetische Energie, Energieerhaltung

2 Inhalt Hubarbeit Arbeit bei beschleunigter Bewegung: Kinetische Energie Energie-Erhaltung: –Austausch zwischen potentieller und kinetischer Energie –Umwandlung von Energie in Wärme

3 Formen mechanischer Arbeit Mechanische Arbeit ist Kraft mal Weg mit Weg in Kraftrichtung Ist die Kraft die Schwerkraft, nennt man die Arbeit auch Hubarbeit Kraft mal Weg führt bei beschleunigter Bewegung auf Kinetische Energie Wärme, gemessen als Temperaturerhöhung, ist kinetische Energie der mikroskopischen Teilchen, die sich –mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten –in alle Richtungen bewegen

4 Arbeit ist Kraft mal Weg Einheit: 1 Nm=1 J (1 Joule) W = F · s [J]

5 Hubarbeit ist Schwerkraft mal Hub-Höhe Weg = Hubhöhe h Kraft = Schwerkraft auf die Masse m Schwerkraft auf die Masse m, F = m·g [N] Haltekraft (hier: Muskelkraft) W = F · s [J] W = m · g · h [J]

6 Speziell: Hub-Arbeit W = F · h1 J Arbeit bei konstanter Kraft entlang des Weges h h1 m Weg in Richtung der Schwerkraft F = m·g1 N Gravitationskraft auf die Masse m, Schwerkraft g = 9,811 m/s 2 Fallbeschleunigung W = m · g · h1 JDie Hub-Arbeit Gibt es keine weiteren Kräfte wie z. B. die Reibung, dann ist die Hubarbeit W unabhängig vom Weg zum Erreichen der Höhe h

7 W = F · s [J] Arbeit bei beschleunigter Bewegung Weg Trägheitskraft Kraft Die Bewegung in diesem Beispiel ist beschleunigt: Der Kraft von Blau wirkt eine gleichgroße Trägheitskraft entgegen W = F · a · t 2 / 2 [J] W = m · a 2 · t 2 / 2 [J] W = m · v 2 / 2 [J]

8 Kinetische Energie bei konstanter Beschleunigung Einheit 1 JKonstante Kraft F auf dem Weg s 1 N Kraft auf die Masse m, ausgedrückt durch die Trägheitskraft 1 mIn der Zeit t durchfahrener Weg 1 m/s Nach der Zeit t erreichte Geschwindigkeit 1 J F und s eingesetzt, t als Funktion von v eingesetzt Der Ansatz Betrag der Kraft gleich Trägheitskraft gilt für die beschleunigte Bewegung

9 Definition der kinetischen Energie Einheit 1 JKinetische Energie Die Arbeit wird kinetische Energie, wenn die Kraft zur Beschleunigung einer Masse verwendet wird Eine Masse, die sich mit Geschwindigkeit v bewegt, trägt die kinetische Energie W kin =mv 2 /2, unabhängig vom zeitlichen Verlauf der Beschleunigung

10 Hubarbeit ist Schwerkraft mal Hub-Höhe Weg = Hubhöhe h Kraft = Schwerkraft auf die Masse m Schwerkraft auf die Masse m, F = m·g [N] Haltekraft (hier: Muskelkraft) W = m · g · h [J]

11 Umwandlung der Hubarbeit beim Fall in Wärme (1) Fällt die Masse, dann wird die Hubenergie beim Aufschlag in Wärme umgewandelt, meistens mit plastischer Verformung von Masse und Unterlage Beim (freien) Fall erfolgt die Bewegung beschleunigt, anstelle der Muskelkraft (rot) tritt die Trägheitskraft (violett)

12 Umwandlung der Hubarbeit beim Bremsen in Wärme (2) Beim langsamen Ablassen wird die Hubenergie in der Bremse, hier: den Händen, in Wärme verwandelt Gebremst erfolgt die Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit, also kräftfrei, die Schwerkraft ist in jedem Moment durch die reale Muskelkraft (rot) kompensiert

13 Energie in elastischer Verformung und Wärme Fest – elastische VerformungFlüssigkeit fließt, mit oder – vereinfachend – ohne Reibung Gas Rot: Kraftvektor- Nur ein Festkörper kann elastisch verformt werden, d. h. man kann die Arbeit zur Verformung nahezu vollständig wieder abrufen, z. B. in einer gespannnten Feder Als Wärme ist die kinetische Energie auf alle Teilchen und auf alle Richtungen verteilt – Letzteres verhindert die vollständige Rückgewinnung z. B. als Hub-Energie, die nur Bewegung nach oben betrifft Energie Zufuhr ist reversibel Energie Zufuhr ist irreversibel 100 nm 5 nm

14 Zusammenfassung Ist die Kraft die Schwerkraft, nennt man die Arbeit Hubarbeit W = m · g · h [J] –Die Schwerkraft m · g wirke entlang des Weges h Die Arbeit wird zu Kinetischer Energie, wenn die Kraft zur Beschleunigung einer Masse verwendet wird: –Eine Masse m, mit Geschwindigkeit v bewegt, trägt die kinetische Energie E kin =m·v 2 /2 [J] Diese Formen der Arbeit sind in vollem Umfang in andere Formen der Energie umwandelbar –Im Gegensatz zur Wärme, die nicht vollständig in Kraft mal Weg für eine einzelne Masse verwandelt werden kann

15 Weg Trägheitskraft Kraft Finis


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