Kraft, Arbeit und Energie- Grundbegriffe

KRAFT

Um einen Gegenstand zu bewegen z.B. beschleunigen, bremsen, eindrücken und spannen zu können benötigt man Kraft.

Isaac Newton entdeckte als erstes die Kraft und die stellte 3 Grundlagen zu seiner Theorie auf:

a) 1. Newton´sche Axiom: TRÄGEITSGESETZ:

Wirkt auf einen Körper keine Kraft so bewegt sich dieser gradlinig und gleichförmig (ohne Abweichungen) durch den Raum.

b) 2. Newton´sche Axiom: AKTIONSPRINZIP:

Wirkt eine Kraft F (engl. Force) so ruft diese eine Beschleunigung a (Physikalische Abkürzung für Beschleunigung) hervor. Dadurch folgt eine Änderung des Bewegungszustandes. Dies führt zu einem gleichen Kraftverhältnis der Beschleunigung a sowie auch der proportionalen Kraft F.

Isaac Newton stellte ebenfalls eine Formel für die Berechnung der Kraft auf sie lautet:

F (=Kraft) = m (=Masse) mal a (Beschleunigung)

c) 3. Newton´sche Axiom: WECHSELWIRKUNGSGESETZ:

Übt ein Körper A auf einen andern Körper B eine Kraft FAB aus so kommt es rückwertig von dem Körper B auf den Körper A zurück. Als Beispiel das Newtonpendel oder auch Kugelstoßpendel genannt.

In der Physik steht die Variable F für die Kraft und die Einheit der Kraft ist N für Newton.

2004 erkannte man, dass in der Natur nur 4 wahre Kräfte existieren: die elektromagnetische Kraft, die Gravitation und die starke und leichte Wechselspannung. Alle Materie (auf der Welt bisher bekannt) ist diesen vier Kräften ausgesetzt

Hier ein paar Beispiele:

  1. Muskelkraft= treten beim Fahrrad
  2. Zugkraft= spannen eines Bogens
  3. Druckkraft= das Herausdrücken eines Kugelschreibers
  4. Auftriebskraft= während dem Schwimmen

Quellen: http://derstandard.at/1814849

https://astro.uni-bonn.de/~deboer/pdm/pdmkrafttxt.html

http://de.wikipedia.org/wiki/Kraft

ARBEIT

Unter Arbeit versteht man jede körperliche(oder geistige) Anstrengung mit nachfolgender Erschöpfung( Achtung- Arbeit hat vielerlei Bedeutungen. So auch in der Philosophie oder Betriebswirtschaftslehre und vielen mehr)

Definition in der Physik:

Arbeit kann nur mit Energie verrichtet werden. Gespeicherte Arbeit kann wieder abgegeben werden => z. B. gespannte Feder

Grafisch mit Hilfe eines Kraft-Weg-Diagramm(F-s-Diagramm) kann Arbeit dargestellt werden.

Arbeit-1

Bedeutung der Arbeit in der Physik:

Überwinden einer Kraft entlang eines Weges

Formel:

Arbeit = Kraft * Weg ( W = F * s)

Arbeit wird in Joule(bekannt nach James Prescott Joule) gemessen.

1 Joule = jene Energie, die benötigt wird um einen Körper mit der Masse 0,102 Kilogramm – das entspricht etwa einer Tafel Schokolade – um einen Meter anzuheben (1 Newtonmeter).

Beispiel:

Etwas wird mit einer Kraft von 20 Newton eine Strecke von 100 Meter geschoben. Wie viel Arbeit wird dabei verrichtet? F = 20 N; s = 100 m; W = ?

W = F * s

W = 20N * 100m

W = 2000Nm

Arten:

Es gibt verschiedene Arten von Arbeit

Beschleunigungsarbeit: mit dem Auto losfahren

Hubarbeit: Flaschenzug

Reibungsarbeit: mit den Radiergummi etwas ausradieren

Verformungsarbeit: Coladose zerdrücken

Arbeit-2

Arbeit-2

“ENERGIE“

Was ist Energie?

Energie E ist die Fähigkeit eines Körpers Arbeit zu verrichten
Einheit: [E] = J (Joule)

Energie kann von einem Körper (das kann ein Auto sein, ein Fahrrad oder auch wir) aufgenommen, gespeichtert und wieder abgegeben werden.

Energie kann weder vermehrt noch vermindert werden – Energie wird umgewandelt. (Energieerhaltungssatz).

Das heißt: auch in einem Kraftwerk wird Energie nicht erzeugt sondern umgewandelt (in Erdöl gespeicherte Sonnenenergie wird verbrannt, die Energie aus Wasserkraft wird in elektrische Energie umgewandelt  etc.

Energie gibt es in verschiedenen Varianten also in verschiedenen Energieformen.

Jede Energieform kann in eine andere Energieformen umgewandelt werden. Z.B. kann Chemische Energie in kinetische Energie umgewandelt werden. Dabei geht geht Energie für uns „verloren“ (auch wenn diese Energie natürlich noch da ist. Etwa ist Wärmeenergie, die durch Reiung entsteht für uns meist nicht nutzbar. Viele Kraftwerke nutzen heute aber diese Wärmeenergie für Fernwärme. (Krafft-Wärme-Kopplung).

Potenzielle Energie:    

E=Fa*h=m*g*h

Gravitationsenergie in Joule = Masse in kg x Erdbeschleunigung (ca. 10m/s) x Höhe in m

Dazu zählt zum Beispiel die Gravitation also die Energie der Schwerkraft (Die Energie die gespeichert wird wenn man etwas fallen lässt oder aufhebt.) Diese wird zum Beispiel bei einem Speicher-Kraftwerk angewendet und wird auch Lageenergie genannt).

Potenzielle Energie wird in Joule angegeben.

Kinetische Energie:    

E=1/2mv2

Kinetische Energie = Halbe Masse in kg x Geschwindigkeit zum Quadrat

auch Bewegungs Energie(=abhängend von Masse und Geschwindigkeit) genannt. Die Energie die bei einer Bewegung ausgesetzt wird.

Sie wird in Joule angegeben.

Z.B. bei fahrenden Autos das abbremsen oder die Energie die bei einer Kollision ausgesetzt wird.

Potenzielle Energie und Kinetische Energie kann man als mechanische Energie zusammenfassen.

 Chemische Energie. 

E=m*C

Chemische Energie = Masse in kg x Energiegehalt (=gespeicherte Energie, z.B. in Zucker gespeicherte Sonnenenergie) in MJ (Mega Joule)

Dies ist die Energie welche in Brennstoffen und anderen Energieträgern gespeichert wird.

Man findet sie oft in der Verwendung bei Fossilen Energieträgern Z.B. der Angabe von Heizwerten.

Aber sie dient auch für die Angabe über den Nährwert also der Speicherstoffe von Lebewesen.

 Elastische Energie:

die Energie die in verformten Materien gespeichert wird. Wie der Name schon sagt es handelt sich um Spannung. Sie ist eine Form der potentiellen Energie.

Diese Energieform wird sehr häufig benutzt hier sind ein paar Beispiele:

  • in der Technik(bei bestimmten Bremssystemen)
  • in der Natur(in der Tektonik)
  • bei Sportgeräten(bei Spannungen wie beim Trampolin oder im Bogen)

Elektrische Energie:

Elektrische Energie bezeichnet man Energie, die mit der Elektrizität übertragen wird.

Strom= fliesende Elektronen in einem Leiter.

 Wärmeenergie:

Wird auch thermische Energie genannt. Sie zeichnet sich dadurch aus das alle anderen Energieformen in sie umgewandelt werden können und sie auch bei jeder Umwandlung vorkommen muss damit diese funktioniert. Jedoch kann man die nur recht schwer wieder in eine andere Energie umwandeln. Sie ist die Energieform die bei der Sonneneinstrahlung oder im Erdinneren „entsteht“.

weitere Energieformen:

  • magnetische Energie,
  • Strahlungsenergie,
  • Kernenergie

LEISTUNG

Wir erklären die Leistung als Arbeitsanteil pro Zeiteinheit. Bei Leistung definiert man, dass zwei Personen die gleiche Arbeit verrichten, dennoch unterschiedliche Leistung erbringen. Dies hängt davon ab, dass jeder Mensch unterschiedlich gebaut ist und deswegen unterschiedliche Leistung erbringt. Es gibt auch noch den Unterschied von der Leistung der Maschine zur Leistung vom Menschen.Formel: P= W/tDie alte Einheit der Leistung, ist PS (= Pferdestärke), jetzt wird sie in Watt angegeben.
 

Text (Energie): Isolde Berger und Helena Rausch 1HMB, 2014

Text und Bild (Arbeit): Jennifer Petersen und Lara Nedeltchev, 1HMB, 2014

Text (Kraft): Grois Alexander, 1HMB, HLMW9, 2014

Text (Leistung): Julia Lambürger und Beatric Hauser, 1HMB, HLMW9, 2014

Arbeit-2

Arbeit-2

Arbeits-Quiz:

Was ist Arbeit aus physikalischer Sicht

 
 
 
 

Wie lautet die Formel für Arbeit?

 
 
 
 

Die Einheit für Arbeit ist

 
 
 
 

Was ist ein Joule?

 
 
 

Etwas wird mit einer Kraft von 500 Newton eine Strecke von 10 Meter geschoben. Wie viel Arbeit wird dabei verrichtet?  W = ?

 
 
 

Question 1 of 5

Energie-Quiz:

findet sich auf der Seite http://nawi.naturundbildung.at/wp/?page_id=442 (ganz unten)

 

 

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