Mechanische Energie (HTML)

<script type="text/javascript" asyncsrc="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/mathjax/2.7.7/MathJax.js?config=TeX-MML-AM_CHTML"></script><script>window.onload = function () {    var toc = "";    var level = 0;
    document.getElementById("contents").innerHTML =        document.getElementById("contents").innerHTML.replace(            /<h([\d])>([^<]+)<\/h([\d])>/gi,            function (str, openLevel, titleText, closeLevel) {                if (openLevel != closeLevel) {                    return str;                }
                if (openLevel > level) {                    toc += (new Array(openLevel - level + 1)).join("<ul>");                } else if (openLevel < level) {                    toc += (new Array(level - openLevel + 1)).join("</ul>");                }
                level = parseInt(openLevel);
                //Hinzufügen eines Namens in den Überschriften-Tags                var anchor = titleText.replace(/ /g, "_");                toc += "<li><a>" + titleText                    + "</a></li>";
                return "<h" + openLevel + "><a name=\"" + anchor + "\">"                    + titleText + "</a></h" + closeLevel + ">";            }        );
    //Ende der Gesamt-Liste    if (level) {        toc += (new Array(level + 1)).join("</ul>");    }
    //Inhaltsverzeichnis wird geschrieben    document.getElementById("toc").innerHTML += toc;};</script><div id="toc">        <h3>Inhaltsverzeichnis</h3>    </div>    <hr/><div id="contents">
<!--HTML-Start-->
<h3>Definition von Energie</h3><ul><li>Energie ist eine Gr&ouml;&szlig;e, die sich beim &Uuml;bergang von einer Energieform in eine andere nicht &auml;ndert (<a href="https://www.youtube.com/watch?v=VwMSsicKRYI">Halfpipe</a>).</li><li>Energie wird meist mir <em>E</em> bezeichnet und hat die Einheit J (Joule)</li></ul><h3>Energieformen</h3><ul><li>mechanische Energie<ul><li>H&ouml;henenergie</li><li>Bewegungsenergie</li></ul></li><li>innere Energie</li><li>Kernenergie</li><li>chemische Energie</li><li>elektrische Energie</li></ul><h3>Prinzip der Energieerhaltung</h3><h4>Energieumwandlung</h4><ul><li>Bei einer Halfpipe wird H&ouml;henenergie in Bewegungsenergie und Bewegungsenergie in H&ouml;henenergie umgewandelt (<a href="https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/energieerhaltung">LeifiPhysik</a>).</li><li>Energie kann von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden.</li></ul><h4>Energieerhaltungssatz der Mechanik</h4><ul><li>Bei jeder Energieumwandlung bleibt die Gesamtmenge an Energie zu jeder Zeit erhalten. Ein Teil der umgewandelten Energie ist immer innere Energie, die auf Reibungsprozesse zur&uuml;ckzuf&uuml;hren ist.</li><li>Ein Skateboard ohne Fahrer*&igrave;n bleibt schlie&szlig;lich im tiefsten Punkt der Halfpipe stehen. Die mechanische Energie wurde in innere Energie umgewandelt, was man an einer Temperaturerh&ouml;hung erkennt.</li><li>Ein Ball h&ouml;rt schlie&szlig;lich auf zu springen.</li></ul><h4>Energiewandler</h4><ul><li>Ein Energiewandler wandelt die Energieformen ineinander um.</li><li>Beispiele: Solarzelle, Dynamo, menschlicher K&ouml;rper</li></ul><h4>Energieflussdiagramm</h4><ul><li><a href="https://studyflix.de/ingenieurwissenschaften/energieflussdiagramm-3722">Study-Fix</a></li><li><a href="https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/aufgabe/energieflussdiagramm">Leifi-Physik</a></li></ul><h3>H&ouml;henenergie</h3><h4>Versuch zur H&ouml;henenergie</h4><p>Von welchen Gr&ouml;&szlig;en h&auml;ngt die Bewegungsenergie ab?</p><ul><li><a href="https://www.youtube.com/watch?v=bDC4d6qjrbw&amp;list=PLXILMmupC2416mokyASiJ5x1OdYi9YBm-&amp;index=11">Film</a>&nbsp;bei Leifi-Physik</li><li><a href="https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/versuche/experimentelle-herleitung-der-formel-fuer-die-potentielle-energie-simulation">Versuch</a>&nbsp;bei Leifi-Physik</li></ul><h4>Versuchs-Ergebnis (Abh&auml;ngigkeiten der H&ouml;henenergie)</h4><ul><li>\(E_h\sim h\)</li><li>\(E_h\sim F_G\)</li><li>\(E_h=g\cdot m\cdot h\)</li><li>Anmerkung:<ul><li>Der Proportionalit&auml;tsfaktor ist 1.</li><li>H&ouml;henenergie (potentielle Energie) gibt es nur im System K&ouml;rper-Himmelsk&ouml;rper (Erde)</li></ul></li></ul><h4>Einheit der H&ouml;henenergie</h4><p>\([E_h]=\mathrm{\dfrac{m}{s^2}\cdot kg\cdot m=Nm=J}\)</p><h4>Bezugsniveau</h4><ul><li>Das Bezugsniveau der H&ouml;henenergie ist frei w&auml;hlbar.</li><li>Je nach Bezugsniveau gibt es f&uuml;r einen K&ouml;rper verschiedene H&ouml;henenergien</li></ul><h4>Berechnungen zur H&ouml;henenergie</h4><ul><li>\(E_{pot}=g\cdot m\cdot h\)</li><li>\(E_{pot}=g\cdot m\cdot h|\cdot \dfrac{1}{g\cdot m}\\ h=\dfrac{E_{pot}}{g\cdot m}\)</li><li>\(E_{pot}=g\cdot m\cdot h|\cdot \dfrac{1}{g\cdot h}\\ m=\dfrac{E_{pot}}{g\cdot h}\)</li></ul><h4>Aufgaben zur H&ouml;henenergie</h4><h5>Berechnung von Epot (m und h gegeben)</h5><ul><li>Erkl&auml;rung von 1J</li><li>H&ouml;henenergie eines Menschen auf einem Stuhl oder einem Sprungturm im Freibad</li><li>Berechnung mit&nbsp;<a href="https://www.geogebra.org/m/xrr6nvga">Geogebra</a></li></ul><h5>Berechnung der H&ouml;he (Epot und m gegeben)</h5><ul><li>Wie hoch kann man einen Gegenstand heben mit dem Energiewert von Lebensmitteln?</li><li>Berechnung in&nbsp;<a href="https://www.geogebra.org/m/qfaxvded">Geogebra</a>, <a href="https://www.geogebra.org/m/qfaxvded">Berechnung in Geogebra mit kJ</a></li></ul><h5>Berechnung der Masse (Epot und h gegeben)</h5><ul><li>Eltern und Kinder sitzen zum Essen am Tisch. Wer hat mehr oder weniger potentielle Energie?</li><li>Berechnung in&nbsp;<a href="https://www.geogebra.org/m/umtnvexx#material/vambadhn">Geogebra</a></li></ul><h3>Bewegungsenergie</h3><h4>Versuch zur Bewegungsenergie</h4><p>Von welchen Gr&ouml;&szlig;en h&auml;ngt die Bewegungsenergie (kinetische Energie) ab?</p><ul><li><a href="https://youtu.be/VxCY00VMFUk">Film</a> bei Leifi-Physik</li><li><a href="https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/aufgabe/beziehung-zwischen-geschwindigkeit-und-kinetischer-energie">Versuch</a> zur Abh&auml;ngigkeit von der Geschwindigkeit</li><li><a href="https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/versuche/experimentelle-herleitung-der-formel-fuer-die-kinetische-energie-simulation">Versuch</a> zur Abh&auml;ngigkeit von der Masse</li></ul><h4>Versuchs-Ergebnis (Abh&auml;ngigkeiten der Bewegungsenergie)</h4><ul><li>\(E_{kin}\sim v^2\)</li><li>\(E_{kin}\sim m\)</li><li>\(E_{kin}=\frac{1}{2}\cdot m\cdot v^2\)</li><li>Anmerkung: Der Proportionalit&auml;tsfaktor ist \(\frac{1}{2}\).</li></ul><h4>Einheit der Bewegungsenergie</h4><p>\([E_{kin}]=\mathrm{kg\cdot \dfrac{m^2}{s^2}}=\mathrm{kg\cdot \dfrac{m}{s^2}\cdot m=Nm=J}\)</p><h4>Berechnungen zur Bewegungsenergie</h4><ul><li>\(E_{kin}=\dfrac{1}{2}\cdot m\cdot v^2\)</li><li>\(E_{kin}=\dfrac{1}{2}\cdot m\cdot v^2|\cdot \dfrac{2}{v^2}\\ m=\dfrac{2E_{kin}}{v^2}\)</li><li>\(E_{kin}=\dfrac{1}{2}\cdot m\cdot v^2|\cdot \dfrac{2}{m}\\ v^2=\dfrac{2E_{kin}}{m}\Rightarrow v=\sqrt{\dfrac{2E_{kin}}{m}}\)</li></ul><h4>Aufgaben zur Bewegungsenergie</h4><h5>Berechnung von Ekin (Masse und Geschwindigkeit gegeben)</h5><ul><li>Wie gro&szlig; ist die kinetische Energie eines Menschen, wenn er geht oder mit dem Fahrad f&auml;hrt?</li><li>Wie ver&auml;ndert sich die Energie, wenn man doppelt so schnell f&auml;hrt.</li><li>Berechnungen mit <a title="https://www.geogebra.org/m/ttv23kzt" href="https://www.geogebra.org/m/ttv23kzt">Geogebra</a></li></ul><h5>Berechnung der Masse (Ekin und Geschwindigkeit gegeben)</h5><ul><li>Welche Masse kann man mit einer Geschwindigkeit von 36km/h bewegen, wenn man die Energie, die in Lebensmitteln steckt voraussetzt.</li><li>Berechnungen mit <a href="https://www.geogebra.org/classic/bz49x8gv">Geogebra</a></li></ul><h4>Berechnung der Geschwindigkeit (Ekin und Masse gegeben)</h4><ul><li>Wie verhalten sich die kinetischen Energien, wenn ein PKW neben einem Kleinlaster doppelter Masse f&auml;hrt?</li><li>Berechnung mit <a href="https://www.geogebra.org/classic/jcmthxku">Geogebra</a></li></ul><h3>Aufgaben zum Fallen und senkrechtem Wurf nach oben</h3><h4>Berechnung der Auftreffgeschwindigkeit</h4><p>\(E_{kin}=E_{pot}\\<br />\frac{1}{2}mv^2=gmh|\cdot \frac{2}{m}\\<br />v^2=2gh|\sqrt{}\\<br />v=\sqrt{2gh}\)<br /><a href="https://www.geogebra.org/calculator/efbwhqpa">Berechnung mit Geogebra</a></p><h4>Berechnung der Wurfh&ouml;he</h4><p>\(E_{pot}=E_{kin}\\<br />gmh =\frac{1}{2}mv^2|\dfrac{1}{gm}\\<br />h=\dfrac{v^2}{2g}\)<br /><a title="https://www.geogebra.org/m/e4dkycdx" href="https://www.geogebra.org/m/e4dkycdx">Berechnung mit Geogebra</a></p><h3>Spannenergie</h3><ul><li>In einem abgeschlossenen reibungsfreien System gilt:<br />\(E_h+E_{kin}+E_{sp}=\text{konstant}\)</li><li>Trampolin-Springen (<a href="https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/versuche/trampolin-ck-12-simulation">Simulation</a>) als Beispiel (<a href="https://www.youtube.com/watch?v=7I_AqXwIRZw">Video</a>)</li></ul><h3>Arbeit</h3><h4>Definition von Arbeit</h4><ul><li>Bei der &Auml;nderung von Energie \(E\) wird physikalische Arbeit \(W\) (engl. work) verrichtet.<br />\(W=\Delta E\)</li><li>Arbeit hat die selbe Einheit wie Energie: <br />\([W]\)= J (Joule)</li><li>Beispiele<ul><li>Beim Heben eines Gegenstandes wird Hubarbeit verrichtet.</li><li>Beim Beschleunigen einer Fahrzeugs wird Beschleunigungsarbeit verrichtet.</li><li>Die jeweiligen verrichteten Arbeiten k&ouml;nnen &uuml;ber &Auml;nderungen der jeweiligen Energie berechnet werden.</li></ul></li></ul><h4>Allgemeine Berechnung von Arbeit</h4><ul><li>Aus der Formel f&uuml;r die H&ouml;henenergie ergibt sich f&uuml;r die Hub-Arbeit:<br />\(E_h=g\cdot m\cdot h=F_G\cdot h\Rightarrow\\W_h=\Delta E_h\Rightarrow W_h=F_G\cdot (h_2-h_1)=F_G\cdot \Delta h\)</li><li>F&uuml;r die Arbeit gilt deshalb allgemein:<ul><li>\(W=F\cdot s\),</li><li>wobei die Kraft konstant entlang des Weges wirkt (<a href="https://www.geogebra.org/m/ag6vxhby">Geogebra</a>)</li></ul></li></ul><h4>Hubarbeit unabh&auml;ngig vom Weg</h4><ul><li>Bei der Hubarbeit ist die Arbeit unabh&auml;ngig vom Weg, das hei&szlig;t, man verrichtet die gleiche Arbeit, ob man einen K&ouml;rper senkrecht nach oben hebt oder entlang einer "schiefen Ebene" bewegt.<ul><li><a href="https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/downloads/goldene-regel-der-mechanik-anheben-mit-einer-schiefen-ebene-animation">Animation bei Leifi-Physik</a></li><li><a href="https://www.geogebra.org/m/x3gkqcev">Animation mit Geogebra</a></li></ul></li></ul><h4>Schiefe Ebene als Kraftwandler</h4><ul><li>Ob man einen Gegenstand senkrecht nach oben hebt oder&nbsp;entlang einer schiefen Ebene bewegt, ist f&uuml;r die verrichtete Hubarbeit gleich, weswegen der l&auml;ngere Weg zu eine Kraftersparnis f&uuml;hrt.</li><li><a href="https://www.geogebra.org/calculator/mtjzbjbt">Rechnung mit Geogebra</a></li></ul><h3>Leistung</h3><h4>Definition von Leistung</h4><ul><li>F&uuml;r die physikalische Leistung kommt es darauf an, wie lange man braucht, um Arbeit zu verrichten (Vergleich Schnecke-Auto).</li><li>Die physikalische Leistung ergibt aus der verrichteten Arbeit pro Zeit.<br />Leistung \(P=\dfrac{W}{t}\)</li><li>Einheit der Leistung \([P]=\mathrm{\dfrac{J}{s}}=\text{W(Watt)}\)</li></ul><h4>Beispiele f&uuml;r Leistung</h4><ul><li>Ein einfacher VW-Golf hat eine Leistung von ca. 100 PS (Perdest&auml;rken), was einer Leistung von 73600 W=73,6 kW entspricht.</li><li>Die Einheit PS ist veraltet und sollte nicht mehr verwendet werden.<br />1 PS=736 W&nbsp;</li><li>Hebt man einen Gegenstand von 0,1 kg Masse in 1 s um 1 m in die H&ouml;he hat man eine Leistung von 1 W vollbracht.</li></ul><h4>Beispiel-Aufgabe zur Leistung</h4><p>Berechne die Endgeschwindigkeit f&uuml;r einen VW-Golf mit 60 kW Leistung und 1 Tonne Masse, wenn er 10s aus dem Stand beschleunigt wurde.<br />\( P=\frac{\Delta E_{kin}}{\Delta t}\Rightarrow \Delta E_{kin}=P\cdot \Delta t\\ \Delta E_{kin}=E_{kin}=\frac{1}{2}mv^2\\v=\sqrt{\frac{2E_{kin}}{m}}=\sqrt{\frac{2P\Delta t}{m}}\\v=\sqrt{\frac{2\cdot 60000\cdot 10}{1000}}\mathrm{\frac{m}{s}}=\sqrt{1200}\cdot 3,6\mathrm{\frac{km}{h}}=125\mathrm{\frac{km}{h}} \)</p><h4>Vergleich von Leistungen des menschlichen K&ouml;rpers</h4><p><a href="https://lernplattform.mebis.bayern.de/mod/page/view.php?id=40947702">Versuchsprotokoll</a><br /><a href="https://www.geogebra.org/calculator/m4ayxffs">Berechnung mit Geogebra</a></p><ul><li>Treppensteigen</li><li>Liegest&uuml;tzen</li><li>Wiederholtes Heben eines Gegenstandes</li><li>Hochsteigen auf einen Stuhl</li></ul><!--HTML-Ende--></div>