Energieübertragung mit einer Kraft (Goldene Regel der Mechanik) (Mittelstufe)
Inhaltsverzeichnis
Beispiele
Die Gangschaltung beim Radfahren
Lance Armstrong 2004
Auf Indonesien
Ein-Gang-Fahrrad
Kettenschaltung
- 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!
- Video: Der Mensch als Kraftmaschine (vor allem beim Sport)
Ein Flaschenzug
Die goldene Regel der Mechanik
Überträgt man mit Hilfe einer Kraft Energie, so kann man mit einer Maschine "Kraft sparen" auf Kosten einer längeren Wegstrecke, aber keine Energie!
Das Produkt aus wirkender Kraft parallel zum Weg und der Weglänge
ist immer die Menge der übertragenen Energie:
[math]E = F \, s \qquad \rm 1\, J = 1\, Nm[/math] (Energie = Kraft * Weg )
Mit Maschinen kann man die wirkende Kraft verkleinern aber keine Energie sparen.
Kraftwirkung ohne Bewegung (Halten)
Hängt man die Tasche an einen Haken, so wird für das Halten keine Energie benötigt! Aus Sicht der goldenen Regel ist das logisch, denn der zurückgelegte Weg beträgt 0m, also ist [math]E= F \cdot s = F\cdot 0\,\rm m = 0\, J[/math]. Allgemein kann man also sagen:
Wirkt eine Kraft ohne Bewegung ("Haltekraft"), so wird keine Energie übertragen.
- Aber wieso ist dann das Halten einer schweren Tasche so anstrengend?
- Video: Der Mensch als Kraftmaschine (vor allem beim Sport)
Energiezuwachs oder Abnahme
Das Männchen übt eine Kraft F in Richtung des Weges s auf den Wagen aus. Dabei wird die Energie [math]E=F\, s[/math] 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 [math]E=F\, s[/math] und diese wird durch die Reibung des Männchens mit dem Untergrund in Wärmeenergie umgewandelt (auf Entropie umgeladen).
Das Männchen zieht den Schlitten mit konstanter Geschwindigkeit. Wegen der Reibung ist dazu eine Kraft nötig!
Die Kraft in Richtung der Bewegung überträgt also die Energie in die Bewegung des Schlittens und die gleichgroße Reibungskraft sorgt dafür, dass die Energie [math]E=F\, s[/math] gleich wieder von der Bewegung auf die Wärme der Kufen und des Schnees übertragen wird.
Links
- Video: Der Mensch als Kraftmaschine (vor allem beim Sport)
