Telekolleg - Physik


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Physik - Mechanik Arbeit schafft Energie

In dieser Sendung von Telekolleg-Physik werden die Begriffe Arbeit und Energie eingeführt. Diese nehmen in der Mechanik eine herausragende Position ein.

Stand: 08.09.2016

Windräder (Symbolbild) | Bild: picture-alliance/dpa

Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:

Energie heute und morgen

Braunkohlegewinnung im Tagebau

Unsere moderne Gesellschaft hat sich daran gewöhnt, viel Energie für die Industrie und private Bedürfnisse zu verwenden. Zunehmend werden uns jedoch die damit verbundenen Umweltprobleme bewusst:

Kernkraftwerk

Der Abbau von Braunkohle im Tagebau zum Beispiel zerstört Landschaft und ihre Verbrennung trägt stark zur CO2-Problematik bei, Kernkraftwerke bergen durch ihr radioaktives Inventar unberechenbare Risiken.

Fotovoltaik-Kleinkraftwerk mit etwa 5 kW

Alternative Energieformen wie die Solarenergie und die Windenergie können für Entlastung sorgen, zunehmend wird jedoch ein sparsamerer Umgang mit Energie erforderlich.

Ablesung von Stromarbeitszählern

Bei elektrischer Energie zum Beispiel kann jeder persönlich seinen Energieverbrauch am Elektrizitätszähler (genauer: Stromarbeitszähler) in der Einheit Kilowattstunden (kWh) ablesen.

Hubarbeit

Elektrisch angetriebener Materialaufzug

Am Beispiel eines elektrischen Materialaufzugs an einer Baustelle wird die Hubarbeit eingeführt. Mit einem Messgerät kann bei verschiedenen Massen und Transport-Höhen jeweils der elektrische Energieverbrauch in kWh abgelesen werden.

Hubarbeit = Gewichtskraft x Höhe = konstant

Bei doppelter Last und gleichbleibender Höhe verdoppelt sich der Verbrauchswert, bei halber Höhe und gleicher Last halbiert sich dagegen der ursprüngliche Verbrauchswert. Der jeweils gleiche Verbrauchswert lässt sich mit verschiedenen Höhen nur dann erreichen, wenn das Produkt Gewicht mal Höhe konstant ist.

Flaschenzug mit einer losen Rolle

Mit einem Flaschenzug lässt sich die nötige Zugkraft vermindern, aber im gleichen Verhältnis wächst die Wegstrecke, längs der die Kraft wirkt. Die aufzuwendende Arbeit bleibt also gleich.

Ein Flaschenzug verändert die Kraft, nicht die Arbeit.

Das konstante Produkt Kraft mal Weg wird als Hubarbeit bezeichnet.

Einheit der Energie: Joule

Für die Einheit Newton mal Meter = 1 Nm wird die Einheit 1 Joule = 1 J gewählt. Der Zusammenhang zu den Kilowattstunden lautet: 1 kWh = 3,6 Mio. Joule. Die Einheit der Energie ist nach J. P. Joule (1818 - 1889) benannt.

Schiefe Ebene

Beim Schrägaufzug ist die Hubarbeit unabhängig vom Winkel.

Auch ein Schrägaufzug verändert nicht den Verbrauchswert elektrischer Energie (in kWh) um ein Gewicht auf eine bestimmte Höhe zu heben. Physiker nennen diese Anordnung eine Schiefe Ebene.

G: Gewichtskraft, H: Hangabtriebskraft, F: Zugkraft

Es lässt sich mathematisch nachweisen, dass das Produkt aus Hangabtriebskraft und Wegstrecke gleich ist dem Produkt aus Gewichtskraft mal Höhe. Dies gilt unabhängig vom Steigungswinkel der Schiefen Ebene.

Keine mechanische Arbeit, da die Kraft senkrecht zum Weg wirkt.

Im Extremfall einer waagrechten Bewegung wird ein Gewicht nicht gehoben. Die Höhe und die Hangabtriebskraft ist daher null und deshalb wird im physikalischen Sinne keine Arbeit verrichtet. Dies scheint im Widerspruch zu stehen mit der deutlich erkennbaren Anstrengung. Man muss hier aber deutlich trennen zwischen der biologischen Arbeit, die in Muskeln verrichtet wird, und der physikalischen Arbeit am Gewichtsstück.

Potenzielle Energie

Standseilbahn mit zwei Wagen (Nero-Bergbahn)

An der Nero-Bergbahn, einer recht betagten Standseilbahn, wird der Zusammenhang von Hubarbeit und potenzieller Energie erklärt: An einem aufwärts fahrenden Wagen wird Hubarbeit verrichtet, und dabei erhöht sich seine Lageenergie (potenzielle Energie). Dazu ist dieser Wagen über ein Stahlseil mit einem abwärts fahrenden Wagen verbunden. Dieser gibt seine Lageenergie ab und verrichtet so Hubarbeit.

Nero-Bergbahn: Wasserbefüllung an der Bergstation

Damit der abwärts fahrende Wagen nie leichter ist als der aufwärts fahrende, wird an der Bergstation in einen Tank im Boden des Wagens Wasser eingefüllt, das in der Talstation wieder abgelassen und hochgepumpt wird.

Pumpspeicherwerk Schluchsee

Der Schluchsee im Schwarzwald ist ein Stausee, der für ein Pumpspeicher-Kraftwerk genutzt wird. Die riesige Menge Wasser kann über eine Höhendifferenz von 620 m durch Rohre nach unten fließen und dabei über Turbinen Generatoren antreiben.

Energieumwandlung mit Wirkungsgrad

Der Stausee beinhaltet somit eine gigantische Menge an potenzieller Energie von fast 400 Mio kWh.

32 Mio. Fernseher können mit der Energie 45 Stunden lang versorgt werden

Zur Veranschaulichung zeigt eine Rechnung, dass damit alle Fernsehapparate Deutschlands 45 Stunden betrieben werden könnten. Tatsächlich wird das Kraftwerk täglich nur jeweils für sehr kurze Zeit genützt, um die kurzen Verbrauchsspitzen zu bedienen. Andererseits wird in den Tageszeiten, in denen der Verbrauch sehr niedrig ist, Wasser von unten nach oben gepumpt, um überschüssige elektrische Energie wieder in Form von potenzieller Energie des Wassers zu speichern.

Eine Zirkusnummer

Eine Zirkusnummer: Wie hoch fliegt der Ball?

Zum Abschluss der Sendung zeigen mehrere Clowns spielerische Anwendungen der Lerninhalte der Sendung: Einer springt etwa aus 70 cm Höhe auf eine Seite einer Wippe, der andere, gleich schwere Clown wird dadurch um 70 cm nach oben geworfen. Mit einem viel dickeren Kollegen funktioniert das nicht, dagegen wird ein leichter Ball über vier Meter hoch geschleudert.

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Schrägaufzug | Bild: BR zum Quiz Telekolleg Physik Quiz: Arbeit schafft Energie

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