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1 Arbeit Leistung Energie manuell geistig Was ist Arbeit Wie misst man Arbeit? Ist geistige Arbeit messbar? Wann wird physikalische Arbeit verrichtet? Es wird physikalische Arbeit verrichtet, wenn eine Kraft längs eines Weges wirkt. Hinweise: Der physikalische Arbeitsbegriff deckt sich nicht vollständig mit dem Arbeitsbegriff des täglichen Lebens. Beispiel: Geistige Arbeit ist im Sinne der Physik keine Arbeit. Wirkt die Kraft senkrecht zur Wegrichtung, so wird keine Arbeit verrichtet. 1

2 Für einige Arbeitsverrichtungen hast Du im Unterricht spezielle Formeln kennengelernt, die sich alle aus der obigen Definition herleiten lassen: 2

3 Arbeit, Leistung und Energie Die Begriffe Arbeit und Leistung haben in den Naturwissenschaften eine andere Bedeutung als im täglichen Leben! Die mechanische Arbeit W ist das Produkt aus der aufzuwendenden Kraft (in der Wegrichtung) F s und dem Weg s W = F s s Es ist egal, auf welchem Weg der Koffer in den 1. Stock gelangt, F G F G F G = F S Aus obiger Definitionsgleichung ergibt sich die Einheit der mechanischen Arbeit: s F. wenn er zu Boden fällt, ist der zerstörerische Effekt immer gleich. S 1 N 1 m = 1 Nm (Newtonmeter) Der englische Physiker Joule hat gezeigt, dass sich mechanische Arbeit in Wärme umwandeln lässt: Daher kann man auch schreiben: 1 Nm = 1 J 3

4 Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden Hub Arbeit bei gleicher Richtung von Kraft und Weg Joule 1 h F = m g W = m g h 4

5 Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden Projektion des Wegs auf die Richtung der Kraft Joule 1 α Goldene Regel der Mechanik Kann man Arbeit sparen? Es zeigt sich, dass man verschiedenartige Vorrichtungen (schiefe Ebene, Flaschenzug, hydraulische Presse usw.) zur Verringerung der einzusetzenden Kraft verwenden kann. Diese Kraftersparnis muss aber stets mit einer Vergrößerung des Weges längs dem die Kraft wirken muss erkaufen. 5

6 Mechanische Leistung Bei vielen Tätigkeiten kommt es nicht nur darauf an, welchen Betrag an Arbeit man verrichtet, sondern auch darauf, in welcher Zeit diese Arbeit erledigt wird. Denke z.b. nur an einen Hundert-Meter-Lauf. Mit der Größe "Leistung" erfasst man, in welcher Zeit eine bestimmte Arbeit verrichtet wird und definiert: Der Buchstabe P steht für das englische Wort für Leistung: Power. Für die Einheit der Leistung gilt: P = 1J/1s = 1 W att Der Buchstabe W steht für Watt. Die Leistungseinheit Watt erinnert an James Watt ( ), der mit seinen Ideen der Dampfmaschine zum Durchbruch verholfen hat Bedeutet eine 1 mit 5 Nullen also hier

7 1.) Man muss unterscheiden zwischen den physikalischen Größen W (work) und s (Strecke) sowie den Einheiten W (Watt) und s (Sekunde)! 2.) In einem veralteten (!) Einheitensystem gibt es die heute leider noch häufig benutzte Einheit PS (Pferdestärke) für die Leistung. Dann muss man die Kraft aber in der Einheit kp (Kilopond) messen! Für Umrechnungen gilt: 1 PS 746 W 7

8 Energie Energie ist die Fähigkeit Arbeit zu verrichten. Der Energiesatz der Mechanik: In einem abgeschlossenen System bleibt bei Reibungsfreiheit die gesamte mechanische Energie erhalten. Die verschiedenen Energieformen können sich ineinander umwandeln. Die folgenden mechanischen Energieformen hast du im Unterricht kennengelernt: 8

9 Schifahren: Feder: Hochsprung: verschiedene Energien 9

10 verschiedene Energien 10

11 Arbeit, Leistung und Energie Über das Gesetz von der Erhaltung der Energie sind alle Teilgebiete der Physik verbunden. Chemische Energie (Kohlekraftwerk) Mechanische Energie Kernenergie: Fission Chemische Energie Elektromagnetische Strahlung (Licht und Wärmeenergie) Kernenergie: Fusion Elektrische Energie Mechanische Energie (Potentielle und kinetische Energie) η < 1 Licht und Wärmeenergie A b w ä r m e 11

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