Noch mehr Lösungen der Aufgaben zur Energieübertragung mit einer Kraft (Mittelstufe)

(Physik Sekundarstufe I > Energie und Kraft)

1) Wasserflasche hochheben

Peter hebt eine 1,5 kg "schwere" Wasserflasche vom Boden auf den 70cm hohen Tisch.

• Wieviel Energie braucht er dazu?

Die Gewichtskraft der Flasche beträgt

[math]F_G = m \cdot g = 1{,}5\,\rm kg \cdot 10\,\rm \frac{N}{kg} = 15\,\rm N[/math]

Den Weg muß man in Meter umrechnen, denn nur ein Newtonmeter ist auch ein Joule. Dann berechnet sich die Energie als Kraft mal Weg:

[math]E = F\, \cdot s = 15\,\rm N \cdot 0{,}7\,\rm m = 10{,}5\,\rm Nm = 10{,}5 \,\rm J [/math]

Die Plastikflasche fällt ihm aus Versehen runter und bleibt am Boden liegen.

• Wo ist jetzt die Energie und woran erkennt man das?

Beim Aufprall reibt die Flasche am Boden. Dabei werden die Flasche und der Boden etwas erwärmt. Die Energie steckt jetzt in der warmen Flasche und im warmen Boden.

2) Hebel am Unterarm

Der Oberarmbeuger oder auch "Bizeps" ist ein Muskel am Oberarm, der den Unterarm zur Schulter heranzieht. Verkürzt er sich um 1cm, so wird das Gewicht um 7cm angehoben.

• Wieviel Energie benötigt der Muskel dazu?

Die Gewichtskraft des Gewichts beträgt

[math]F_G = m \cdot g = 1\,\rm kg \cdot 10\,\rm \frac{N}{kg} = 10\,\rm N[/math]

Den Weg muß man wieder in Meter umrechnen. Dann berechnet sich die Energie als Kraft mal Weg:

[math]E = F\, \cdot s = 10\,\rm N \cdot 0{,}07\,\rm m = 0{,}7\,\rm Nm = 0{,}7 \,\rm J [/math]

• Mit welcher Kraft zieht der Muskel und mit welcher Kraft drückt die Hand?

Die Hand drückt dabei mit 10 Newton gegen das Gewicht. Weil der Muskel einen kürzeren Weg hat, muss er mit einer größeren Kraft ziehen, nämlich mit

[math] 7 \cdot 10\,\rm N = 70\,\rm N[/math]

3) Schwimmen

Beim Schwimmen schiebt Antonia sich mit 30N vom Wasser weg. (Siehe auch ab 1:35 Kraftmaschine Mensch)

• Wieviel Energie braucht sie für eine 50m-Bahn?

[math]E = F\, \cdot s = 30\,\rm N \cdot 50\,\rm m = 1500\,\rm Nm = 1500 \,\rm J = 1{,}5\,\rm kJ[/math]

Eine Tafel Schoki enthält ca. 2000kJ Energie. Sie wird zu ca. 25% "verwertet".

• Wie weit kann Antonia mit der Energie einer Tafel schwimmen?

In einer Tafel stecken 500kJ "verwertbare" Energie. Das reicht für viele Bahnen:

[math]500\,\rm kJ : 1{,}5\,\rm kJ \approx 333 [/math]

Sie kann also über 300 Bahnen weit schwimmen, das sind ca. 15 km!

• Wo steckt nach dem Schwimmen die Energie?

Beim Schwimmen setzt Antonia ständig das Wasser in Bewegung, das Wasser bekommt also Bewegungsenergie. Das Wasser reibt dann an sich selbst und kommt deswegen irgendwann zur Ruhe und erwärmt sich durch die Reibung. Außerdem reibt Antonia beim Schwimmen am Wasser und auch dadurch wird das Wasser erwärmt.