Himmelsgesetze der Bewegung/ Kraft und Arbeit, potenzielle und Bewegungsenergie

Kraft: Abhängigkeit von der Masse und der Beschleunigung

Wovon hängt eine Kraft ab? Schauen wir ein Beispiel an.

Was kann man leichter schieben, ein Fahrrad oder ein Auto? Offenbar das Fahrrad. Das Fahrrad hat eine kleinere Masse. Also die Kraft, die man auf ein Objekt ausübt, ist von der Masse des Objektes Abhängig. Je größer die Masse, desto größer die Kraft.

Wovon hängt die Kraft noch ab?

Von der Beschleunigung. Wenn ich ein Fahrrad abrupt bremsen will, dann muss ich kräftig die Bremsen ziehen. Dann stoppt das Fahrrad schneller. Das aber bedeutet eine größere (negative) Beschleunigung. Die Formel für die Beschleunigung ist $a={\frac {\Delta v}{\Delta t}}$ , also je weniger die Zeit desto größer die Beschleunigung. Wenn ich also schnell bremse, dann ist die Beschleunigung und daher auch die Kraft größer. Je größer die Beschleunigung, desto größer die Kraft.

Wir können daher in eine Formel schreiben: Kraft (F) ist Masse (m) mal Beschleunigung (a)

$F=m\cdot a$

Die SI Einheit für die Kraft ist 1 N (Newton).

Arbeit

Als Arbeit definiert man in Physik das Produkt aus Kraft und Weg. Arbeit ist der einzige Weg, Energie zu definieren. Es macht schon irgendwie Sinn zu sagen: wenn ich ein leichteres Objekt für einen bestimmten Weg trage, dann verbrauche ich weniger Energie (und daher Arbeit), weil ich weniger Kraft ausübe. Also je größer die Kraft, desto größer die Energie. Wenn ich das Objekt für einen längeren Weg trage, dann verbrauche ich wieder mehr Energie (und Arbeit). Also je länger der Weg, desto mehr die Arbeit. Daher kann man schreiben: Arbeit ist Kraft mal Weg (mal Kosinus des Winkels zwischen Kraft und Weg)

$W=F\cdot s\cdot cos(\phi )$

W: Arbeit,

F: Kraft

s: zurückgelegte Strecke,

φ: Winkel zwischen Kraft (F) und Strecke (s)

Die Arbeit ist also Null, wenn ich keine Kraft ausübe oder wenn ich keine Strecke zurücklege (die Wand schiebe) oder wenn die Kraft senkrecht zum Weg ist (wie z.B. die Schwerkraft wenn ich gehe, dann ist cos α Null).

Mechanische Energie

Potenzielle Energie

(in der Nähe der Erdoberfläche)

Potenziell bedeutet möglich. Potenziell ist die Energie, die ein Körper möglichst abgeben kann, wegen seiner Lage. Das wird klarer beim freien Fall. Die Formel für die potenzielle Energie ist:

$E_{P}=m\cdot g\cdot h$

E_P: Potenzielle Energie (in der Nähe der Erdoberfläche),

m: Masse,

g: Fallbeschleunigung (≈ 10 m/s² in der Nähe der Erdoberfläche),

H: Höhe (Abstand vom Boden, vom Bezugspunkt)

Bewegungsenergie

Bewegungsenergie (kinetische Energie) ist die Energie, die ein Körper wegen seiner Bewegung hat. Die Formel dafür ist:

$E_{K}={\frac {1}{2}}\cdot m\cdot v^{2}$

E_K: Bewegungsenergie (kinetische Energie),

m: Masse,

v: Geschwindigkeit

Potenzielle und Bewegungsenergie zusammen nennt man oft mechanische Energie. Die mechanische Energie bleibt erhalten, wenn es z.B. keine Wärmeverluste gibt.