Mechanik
Mechanische Arbeit und Leistung
Wann in der Physik Arbeit verrichtet wird, warum Halten keine ist, und was Leistung mit der Zeit zu tun hat.
Benötigte Grundlagen
Dieses Vorwissen brauchst du für das Kapitel. Schau kurz nach, wenn dir etwas davon nicht mehr präsent ist, sonst leg direkt los.
Einführung
Ein Kellner trägt ein volles Tablett zwanzig Meter durch den Saal. Anstrengend, kein Zweifel. Physikalisch hat er dabei am Tablett keine Arbeit verrichtet.
Das klingt wie Wortklauberei, ist aber der Kern der Sache: Die Physik hat sich das Wort „Arbeit" ausgeliehen und ihm eine sehr enge, sehr nützliche Bedeutung gegeben. Diese Bedeutung ist nicht willkürlich, sondern der Schlüssel zu einem der wichtigsten Begriffe überhaupt, der .
Das kannst du nach diesem Kapitel
die mechanische Arbeit als berechnen und die Einheit Joule deuten.
begründen, warum Halten und waagerechtes Tragen keine Arbeit im physikalischen Sinn sind.
Hubarbeit, Reibungsarbeit und Spannarbeit unterscheiden.
die Leistung als berechnen und die Einheit Watt deuten.
Arbeit und Leistung im Alltag abschätzen und einordnen.
erklären, warum eine kraftumformende Einrichtung spart, aber keine Arbeit.
Wann Arbeit verrichtet wird
Die Goldene Regel der Mechanik lieferte das Produkt als die Größe, die keine Maschine verringert. Genau dieses Produkt bekommt jetzt seinen Namen:
Dabei ist die in Wegrichtung und der zurückgelegte Weg.
Die Einheit heißt Joule:
Ein Joule ist ungefähr die Arbeit, die man verrichtet, wenn man eine Tafel Schokolade einen Meter hoch hebt. Größere Einheiten: , .
Die beiden Bedingungen
Aus der Formel folgen zwei Bedingungen, und beide müssen erfüllt sein:
- Es muss eine wirken.
- Der Körper muss sich in Richtung dieser Kraft bewegen.
Fehlt eines von beiden, ist . Das erklärt die drei Fälle, die im Alltag so verwirrend sind:
| Situation | Kraft? | Weg in Kraftrichtung? | Arbeit |
|---|---|---|---|
| Koffer hochheben | ja, nach oben | ja, nach oben | ja |
| Koffer nur halten | ja, nach oben | nein () | nein |
| Koffer waagerecht tragen | ja, nach oben | Weg quer dazu | nein |
| Schlitten ziehen | ja, nach vorn | ja, nach vorn | ja |
Warum ist Halten keine Arbeit, obwohl es anstrengt? Weil die Anstrengung im Muskel stattfindet, nicht am Koffer. Muskeln arbeiten durch ständiges An- und Entspannen einzelner Fasern und verbrauchen dabei , auch wenn sich nichts bewegt. Am Koffer ändert sich in dieser Zeit nichts: Er ist danach genauso hoch wie vorher, genauso schnell, genauso warm. Und genau darum geht es der Physik: Arbeit ist die Größe, die den Zustand des Körpers ändert.
Ein Tisch hält denselben Koffer stundenlang und verbraucht dabei gar nichts. Das zeigt, dass die Anstrengung eine Eigenschaft unserer Muskeln ist und nicht der Situation.
Links wirkt die längs des Weges, rechts quer dazu. Nur links wird Arbeit im Sinn der Physik verrichtet. Anstrengend sind beide Fälle, aber Anstrengung ist keine .
Drei wichtige Arbeitsarten
Hubarbeit. Ein Körper wird gegen die gehoben. Die nötige ist , der Weg ist die Höhe :
Reibungsarbeit. Ein Körper wird gegen die verschoben:
Diese Arbeit steckt hinterher nicht im Körper, sondern ist vollständig in übergegangen. Deshalb werden Bremsscheiben heiß.
Spannarbeit. Eine Feder wird gespannt. Hier ist die Kraft nicht konstant, sondern wächst nach von null bis zum Endwert. Man rechnet deshalb mit der mittleren Kraft :
🔴 Der Faktor ist kein Trick, sondern folgt daraus, dass die Kraft am Anfang null ist. Im --Diagramm ist die Arbeit die Fläche unter dem Graphen, und unter einer Ursprungsgeraden liegt ein Dreieck, nicht ein Rechteck.
Drei Namen, eine Rechnung. In allen drei Fällen gilt W = F · s; verschieden ist nur, gegen was oder wofür die aufgebracht wird. Wenn du das siehst, musst du dir keine drei Formeln merken.
Leistung: Arbeit pro Zeit
Zwei Personen tragen dieselben zehn Kisten in den ersten Stock. Die eine braucht zehn Minuten, die andere zwanzig. Die Arbeit ist in beiden Fällen gleich, denn und Weg sind gleich. Verschieden ist, wie schnell sie verrichtet wurde.
Dafür gibt es die Leistung:
Einheit Watt:
Größenordnungen zum Einordnen:
| Leistung | |
|---|---|
| LED-Lampe | |
| Mensch, dauerhaft | etwa |
| Mensch, kurzzeitig maximal | etwa |
| Wasserkocher | |
| Kleinwagen | etwa |
| Windrad | etwa |
Die alte Einheit Pferdestärke ist gesetzlich nicht mehr zulässig, steht aber noch in vielen Texten: .
Beide heben dieselbe Last, verrichten also dieselbe Arbeit. Verschieden ist nur die Zeit und damit die Leistung. Halbe Zeit bedeutet doppelte Leistung, nicht doppelte Arbeit.
Warum eine Maschine Kraft spart, aber keine Arbeit
Jetzt lässt sich die Goldene Regel exakt formulieren. Bei einer losen Rolle ist die halbiert und der Weg verdoppelt:
Die Arbeit bleibt gleich. Dasselbe gilt für Hebel, Flaschenzug und Hydraulik. Eine kraftumformende Einrichtung verteilt die Arbeit anders auf Kraft und Weg, aber sie verringert sie nicht.
Das ist keine Beobachtung mehr, sondern folgt zwingend aus der Definition . Genau deshalb kann es kein Perpetuum mobile geben.
Ein Hinweis auf das nächste Kapitel
Wer Arbeit an einem Körper verrichtet, ändert dessen Zustand: Er ist danach höher, schneller oder gespannt. Diese Fähigkeit, ihrerseits wieder Arbeit zu verrichten, heißt . Arbeit ist also der Vorgang der Übertragung, Energie der Vorrat. Beide werden in Joule gemessen, und das ist kein Zufall.
Arbeit auf drei Wegen
Eine Kiste () soll hoch auf eine Laderampe gebracht werden ().
a) Wie groß ist die Hubarbeit beim senkrechten Heben?
b) Über eine lange, reibungsfreie Rampe: welche und welche Arbeit?
c) Mit () über dieselbe Rampe: welche Arbeit?
- 1
a) Hubarbeit direkt berechnen. Die nötige Kraft ist die :
- 2
b) Über die Goldene Regel. Die Hubarbeit ist dieselbe, denn die Kiste landet auf derselben Höhe. Nur verteilt sie sich anders auf Kraft und Weg:
Statt genügen , dafür ist der Weg statt . Die geneigte Ebene ist also ebenfalls eine kraftumformende Einrichtung.
- 3
c) Mit Reibung kommt eine zweite Arbeit dazu. Sie muss über die ganzen überwunden werden:
- 4
Wo die Zusatzarbeit bleibt. Die stecken danach in der Kiste (sie ist höher). Die Reibungsarbeit sind vollständig in Wärme übergegangen und lassen sich nicht zurückholen.
Genau dieses Verhältnis beschreibt der : .
a) b) bei nur Kraft c) , davon als verloren. Die Rampe spart Kraft, kostet aber wegen der Reibung mehr Gesamtarbeit.
Leistung im Treppenlauf
Ein Schüler () läuft eine hohe Treppe in hinauf ().
a) Welche Hubarbeit verrichtet er?
b) Welche mittlere Leistung erbringt er?
c) Ein zweiter Schüler derselben schafft es in . Vergleiche Arbeit und Leistung.
d) Ordne die Werte ein: Ist das viel?
- 1
a)
- 2
b)
- 3
c) Die Arbeit ist identisch, : dieselbe Masse, dieselbe Höhe. Die Zeit steht in der Arbeitsformel nicht.
Die Leistung dagegen unterscheidet sich:
Der zweite Schüler leistet also rund mehr, obwohl er genau dieselbe Arbeit verrichtet.
- 4
d) Einordnung. Dauerhaft leistet ein Mensch etwa . Beide Werte liegen deutlich darüber, sind also nur kurzzeitig möglich. Deshalb ist man nach einem schnellen Treppenlauf außer Atem, nach einem langsamen nicht.
Vergleich zur Alltagstechnik: entsprechen einem starken Mixer. Ein Kleinwagen mit leistet mehr als hundertmal so viel.
a) b) c) gleiche Arbeit, aber statt d) beides weit über der Dauerleistung eines Menschen von rund .
Typischer Fehler
„Ich habe die schwere Tasche zehn Minuten lang gehalten, das war viel Arbeit."
Anstrengend ja, physikalische Arbeit nein. In steht der Weg, und beim Halten ist . Also ist , egal wie lange und wie schwer.
Warum es sich trotzdem anstrengend anfühlt: Ein Muskel hält eine Last nicht wie eine starre Stütze. Er besteht aus Fasern, die sich ständig an- und entspannen, und jeder dieser Vorgänge verbraucht . Diese Energie wird im Muskel in umgesetzt, nicht auf die Tasche übertragen.
Der entscheidende Test: Was hat sich an der Tasche geändert? Sie ist danach gleich hoch, gleich schnell und gleich warm. Und genau das misst die physikalische Arbeit: die Änderung am Körper, nicht die Mühe der Person.
Der Beweis liegt daneben: Ein Tisch hält dieselbe Tasche tagelang und verbraucht dabei nichts. Wäre Halten Arbeit, müsste man den Tisch aufladen.
Dasselbe beim waagerechten Tragen: Hier gibt es zwar einen Weg, aber er verläuft quer zur Haltekraft. In zählt nur die in Wegrichtung, und die ist null.
Übung 1
leichtBei welchen Vorgängen wird physikalische Arbeit verrichtet? Begründe jeweils kurz.
a) Ein Koffer wird eine Treppe hochgetragen.
b) Ein Koffer wird auf einem Rollwagen waagerecht gezogen.
c) Ein Gewichtheber hält die Hantel über dem Kopf.
d) Eine Kerze brennt.
e) Ein Bogen wird gespannt.
Tipp anzeigen
Prüfe beide Bedingungen: vorhanden? Weg in Kraftrichtung?
Lösung anzeigen
a) Ja. Es wirkt die Hubkraft nach oben, und der Koffer bewegt sich nach oben. Es ist Hubarbeit, mit der Treppenhöhe.
b) Ja. Die Zugkraft wirkt nach vorn, der Wagen bewegt sich nach vorn. Es wird Reibungsarbeit gegen die verrichtet. (Hubarbeit dagegen nicht, weil die Höhe gleich bleibt.)
c) Nein. , also . Anstrengend ist es trotzdem, aber die wird im Muskel umgesetzt, nicht an der Hantel.
d) Nein, jedenfalls keine mechanische Arbeit. Es wird chemische Energie in Licht und umgewandelt, aber kein Körper längs eines Weges bewegt.
e) Ja. Es wird Spannarbeit verrichtet, . Die Sehne wird gegen die wachsende Federkraft ein Stück zurückgezogen.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Die zwei Bedingungen als Prüfliste
Physikalische Arbeit wird nur verrichtet, wenn beides zutrifft: Es wirkt eine Kraft, und der Körper bewegt sich ein Stück in Richtung dieser Kraft. Fehlt eine der beiden Bedingungen, ist .
- 2
a), b) und e): dreimal Ja, dreimal anders
a) Hubkraft nach oben, Bewegung nach oben: Hubarbeit, . b) Zugkraft nach vorn, Bewegung nach vorn: Reibungsarbeit gegen die Rollreibung. e) Die Sehne wird gegen die wachsende Federkraft zurückgezogen: Spannarbeit.
- 3
c) und d): zweimal Nein, aus verschiedenen Gründen
c) Der Gewichtheber hält die Hantel: , also , anstrengend ist es trotzdem. d) Die Kerze wandelt chemische Energie in Licht und Wärme um, bewegt aber keinen Körper längs eines Weges: keine mechanische Arbeit.
- 4
Ergebnisse deuten: warum die Definition so eng ist
Drei Vorgänge verrichten Arbeit (a, b, e), zwei nicht (c, d). Der Begriff ist eng gefasst, weil er genau eines messen soll: wie viel Energie von einem Körper auf einen anderen übertragen wurde.
Übung 2
mittelEin Aufzug hebt Personen (je ) und die Kabine () um in . ()
a) Berechne die gesamte Hubarbeit.
b) Berechne die Leistung des Motors, wenn keine Verluste auftreten.
c) Der Motor hat tatsächlich . Wie erklärt sich der Unterschied?
Tipp anzeigen
a) Vergiss die Kabine nicht.
Lösung anzeigen
a) Gesamtmasse:
b)
c) Die berechneten sind die Nutzleistung, also nur der Anteil, der wirklich zum Heben gebraucht wird. Der Motor muss zusätzlich aufbringen:
- in Seilen, Führungen und Getriebe,
- Verluste im Motor selbst ( in den Wicklungen),
- eine Reserve für das Anfahren, bei dem die Kabine zusätzlich beschleunigt werden muss.
Der beträgt hier
Übrigens: Echte Aufzüge haben ein Gegengewicht, das etwa der Kabine plus halber Nutzlast entspricht. Dadurch sinkt die tatsächlich nötige Leistung erheblich, weil das Gegengewicht beim Aufwärtsfahren mithilft.
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Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht, die Kabine nicht vergessen
Gegeben: Personen zu je , Kabine , Höhe , Zeit , . Gesucht: a) die Hubarbeit, b) die Leistung, c) der Vergleich mit .
- 2
a) Hubarbeit als Kraft mal Höhe
Um eine Masse anzuheben, muss man ihre überwinden. Über die Höhe ergibt das .
- 3
a) Gesamtmasse und Hubarbeit
Erst die Massen addieren, dann mit Ortsfaktor und Höhe multiplizieren. Die Einheiten ergeben .
;
Zwischenergebnis
- 4
b) Leistung als Arbeit je Zeit
Die Leistung sagt, wie schnell die Arbeit verrichtet wird: . Die Einheit heißt Watt.
Zwischenergebnis
- 5
c) Ergebnis deuten: warum der Motor stärker sein muss
Die berechneten sind die Nutzleistung, nur der Anteil, der wirklich zum Heben gebraucht wird. Der Motor muss zusätzlich Reibung in Seilen, Führungen und Getriebe überwinden, eigene Wärmeverluste decken und eine Reserve fürs Anfahren bereitstellen.
Übung 3
schwerEine Feder mit wird um gespannt.
a) Wie groß ist die am Ende des Spannvorgangs?
b) Berechne die Spannarbeit.
c) Warum ist das Ergebnis nicht ? Erkläre mit dem --Diagramm.
d) Die Feder schleudert eine Kugel senkrecht nach oben. Wie hoch fliegt eine Kugel mit , wenn keine Verluste auftreten? ()
Tipp anzeigen
d) Die Spannarbeit wird vollständig zur Hubarbeit.
Lösung anzeigen
a)
b)
c) wäre doppelt so viel. Der Fehler liegt darin, dass die Kraft während des Spannens nicht konstant ist: Sie beginnt bei und wächst gleichmäßig bis .
Im --Diagramm ist die Arbeit die Fläche unter dem Graphen. Bei konstanter Kraft wäre das ein Rechteck; bei der Feder ist es wegen der Ursprungsgeraden ein Dreieck, und ein Dreieck hat die halbe Fläche des umschließenden Rechtecks. Daher der Faktor .
Gleichwertig gerechnet mit der mittleren Kraft: , also .
d) Die Spannarbeit wird vollständig in Hubarbeit umgesetzt:
Vorbehalt: In Wirklichkeit fliegt die Kugel deutlich niedriger, weil Luftwiderstand und entziehen und die Feder selbst mitbeschleunigt wird. Der berechnete Wert ist eine obere Grenze.
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Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht beim Spannvorgang
Gegeben: , Spannweg , in d) zusätzlich und . Gesucht: Endkraft, Spannarbeit, eine Begründung und die Steighöhe.
- 2
Spannweg in Meter, Kugelmasse in Kilogramm
passt zur Federkonstanten in . Und passt zum Ortsfaktor in .
;
Zwischenergebnis
,
- 3
a) und b) Zwei verschiedene Formeln für Kraft und Arbeit
Für die Kraft am Ende gilt das hookesche Gesetz . Für die Spannarbeit gilt dagegen , mit dem Faktor , weil die Kraft während des Spannens nicht konstant ist.
- 4
a) und b) Endkraft und Spannarbeit
Erst die Kraft am Ende des Spannwegs, dann die Arbeit mit dem Faktor und dem Quadrat des Wegs.
;
Zwischenergebnis
,
- 5
c) Warum nicht Maximalkraft mal Weg: die Fläche im Diagramm
wäre doppelt so viel. Der Fehler liegt darin, dass die Kraft beim Spannen bei beginnt und gleichmäßig bis wächst. Man darf also nicht mit dem Endwert rechnen.
- 6
d) Ergebnis deuten: Steighöhe als obere Grenze
Die Spannarbeit wird vollständig zur Hubarbeit: . Mit folgt .
Zusammenfassung
Mechanische Arbeit wird nur dann verrichtet, wenn eine wirkt und sich der Körper in Richtung dieser Kraft bewegt: , gemessen in Joule. Deshalb ist Halten physikalisch keine Arbeit, so anstrengend es auch ist, denn am gehaltenen Körper ändert sich nichts. Je nach Ursache spricht man von Hub-, Reibungs- oder Spannarbeit, wobei bei der Feder der Faktor daher rührt, dass die Kraft bei null beginnt. Die Leistung sagt, wie schnell die Arbeit verrichtet wird; zwei Menschen können dieselbe Arbeit leisten und dabei sehr verschiedene Leistungen erbringen. Weil bei jeder kraftumformenden Einrichtung Kraft und Weg gegenläufig verändert werden, bleibt ihr Produkt gleich, und genau deshalb spart keine Maschine Arbeit.


