Energieübertragung mit einer Kraft (Goldene Regel der Mechanik): Unterschied zwischen den Versionen
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Version vom 16. Mai 2011, 21:44 Uhr
Wirkt eine Kraft parallel längs eines Weges, so wird Energie übertragen. Ist die Kraft senkrecht auf dem Weg, so nicht, es wird lediglich die Richtung geändert (Kreisbewegung). Ist sie schräg, wirkt nur die parallele Komponente. Wirkt eine Kraft ohne Bewegung, so wird keine Energie übertragen. (Halten von schweren Gegenständen und menschliche Muskeln?!)
Durch Maschinen kann man mit einer Hebelwirkung die Größe der Kraft durch einen längeren Weg verkleinern. Das Produkt von Kraft und Weg entspricht immer der übertragenen Energie: [math]E = F \, s = F' \, s'[/math]
Inhaltsverzeichnis
Beispiel: Die Gangschaltung beim Radfahren
- Wo kommt die Energie beim Radfahren her und wo geht sie hin?
- Sie kommt aus der radelnden Person, die ihre Energie vom Essen erhält.
- Die Energie wird auf die Bewegung des Fahrrades übertragen. Durch die Reibung an der Luft, am Boden, der Kette usw. wird die Energie auf die Bewegung der Luft, die Erwärmung des Bodens und verschiedener anderer mechanischen Teile übertragen.
- Wie funktioniert die Gangschaltung und was bringt sie mir?
- Hat das Zahnrad an der Tretkurbel ("Kettenblatt") viele Zähne und das hintere Zahnrad ("Ritzel") wenige, so dreht sich das Hinterad bei einer Pedalumdrehung ganz oft.
- Durch ein großes Ritzel kann man erreichen, dass man mit einer ganz geringen Kraft treten kann!
- Mit einem großen Gang spar ich mir das viele Treten und den damit verbundenen Aufwand!?
- Nein, das geht nicht, denn wenn man wenig Kurbeln muss, muss man dafür im Gegenzug sehr fest Reintreten!
Messungen
Interpretation
Überträgt man mit Hilfe einer Kraft Energie, so kann man mit einer Maschine "Kraft sparen" auf Kosten einer längeren Wegstrecke, aber keine Energie! Deshalb hat man die übertragene Energiemenge so festgelegt.
Das Produkt aus wirkender Kraft und Weglänge ist immer die Menge der übertragenen Energie: E = F s = F' s'
Energiezuwachs oder Abnahme
Das Männchen übt eine Kraft F auf den Wagen aus. Es verrichtet eine bestimmte Arbeit(F*s) um dem Wagen eine bestimmte Menge Energie zuzuführen. Dabei wird Energie vom Männchen auf den Wagen übertragen. Das kann man daran sehen, dass der Wagen schneller wird. Der Wagen erhält kinetische Energie (Bewegungsenergie).
In diesem Fall übt das Männchen eine Kraft aus, die der Bewegungsrichtung des Wagens entgegengesetzt ist. Dabei rutscht es über den Boden. Der Wagen verliert bei diesem Vorgang seine kinetische Energie und diese wird durch die Reibung des Männchens mit dem Untergrund in Wärmeenergeie umgewandelt (auf Entropie umgeladen).
Text fehlt noch.
Hier übt das Männchen eine Kraft (F) auf den Drachen aus. Da diese jedoch schräg zur Bewegungsrichtung des Drachens gerichtet ist, wirkt von dieser Kraft effektiv nur die parallel gerichtetete Kraft (F II) auf den Drachen. Es wird also nur Energie in der Höhe von F II*s übertragen.
Dieses Beispiel ähnelt dem Beispiel mit dem Drachen, denn auch hier übt das Männchen eine schräg gerichtete Kraft aus. Wir müssen also auch hier wieder die parallel zur Bewegungsrichtung des Schlittens gerichtete Kraft F II betrachten um herauszufinden, wieviel Energie übertragen wird.
Ein klassisches Beispiel für eine Kreisbewegung: Die Erde dreht sich um die Sonne, wobei die Zentripetalkraft immer senkrecht auf der Bewegungsrichtung ist. Es wird also keine Energie übertragen, sondern lediglich die Bewegungsrichtung verändert.
Energiemengen im Weg-Kraft-Diagramm
s-F-Diagramm Fläche ist Energiemenge. Bei konstanter Kraft: E=Fs
Formeln für Energieformen
Lageenergie, Bewegungsenergie, Spannenergie
E=mgh E=1/2mv^2 E=1/2Ds^2
Energiebilanzen
- Es gilt, wie überall die Energieerhaltung
- Energiebilanzen Achterbahn, Pendel, etc
