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Bewegung und Energie zm_047 word pdf

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Der Energiebegriff

Was ist Energie?

Das Wort Energie ist in aller Munde:
Energie wird knapp, Energie ist teuer, wir müssen Energie sparen, es gibt eine Energiekrise usw.

Beim Wort Energie fällt dir gewiss ein:
Benzin, Heizöl, Erdgas, elektrischer Strom, Kohle, Feuer, Sahnetorte, Sonne, Batterie, vielleicht auch Stausee, Wind und Kernenergie.

Was kann man mit diesen Energien machen?
Das Lagerfeuer erwärmt und erhellt die Umgebung. Der elektrische Strom macht, dass die Herdplatte heizt, die Lampe leuchtet, der Staubsauger saugt. Benzin sorgt dafür, das der Motor das Auto antreibt, erwärmt und beleuchtet. Die Energievorräte im Keller sind nötig, damit die Wohnung immer gemütlich warm ist und aus der Dusche Warmwasser fließt. Die Nahrung brauchen wir, damit wir leben und arbeiten können. Die Sonne sendet uns Licht und Wärme, sie ermöglicht alles Leben auf der Erde.

Die Schlussfolgerung daraus ist: Ohne Energie geht nichts.

Merke Naturwissenschaftler erklären Energie so:
Energie ist die Fähigkeit eines Körpers Arbeit zu verrichten. Ein Körper, der arbeiten, wärmen oder leuchten kann, besitzt Energie. Für viel Arbeit, viel Wärme oder viel Licht ist auch viel Energie nötig.

Energie ist demnach kein Stoff, sondern eine Eigenschaft von Körpern. So ist z.B. Benzin selbst keine Energie. Erst wenn es im Motor verbrannt wird, wird seine Energie frei. Es ist ein Energieträger. Auch der elektrische Strom ist keine Energie. Er trägt die Energie mit sich und gibt sie erst in den Elektrogeräten ab. Der elektrische Strom transportiert Energie.

Verschiedene Energieformen

Die Höhenenergie (Lageenergie)

Beim Umzug wird eine Bücherkiste in den ersten Stock getragen. Das ist für den Träger anstrengend, er benötigt dazu Energie (Fähigkeit Arbeit zu verrichten).

Wo bleibt diese Energie, wenn die Kiste oben im ersten Stock abgestellt wird?

Die Energie steckt in der Bücherkiste. Das merkt man, wenn man sie aus dem Fenster herunterfallen lässt. Wovon hängt die Energie ab, die in der transportierten Kiste steckt?

Merke Ein gehobener Körper hat Höhenenergie.
Sie ist um so größer, je größer seine Höhe und seine Masse ist.

Die Bewegungsenergie (kinetische Energie)

Auch ein Körper in Bewegung hat Energie. Das kann man bei Autounfällen immer wieder sehen. Schwere Schäden treten vor allem dann auf, wenn die Fahrzeuge schnell gefahren sind und wenn es sich um schwere Lastwagen handelt.

Versuch Drücke mit den Händen ein Stück Knetgummi. Es wird verformt, die dazu nötige Energie liefern deine Hände. Schleudere die Knetmasse gegen die Wand. Die Masse trifft mit hoher Geschwindigkeit auf die Wand und wird verformt. Die dazu nötige Energie liefert die Geschwindigkeit. Sie wurde aufgebracht durch deinen Arm, der die Knetmasse beim Wurf beschleunigte.

Merke Ein bewegter Körper hat Bewegungsenergie. Sie ist umso größer, je größer seine Geschwindigkeit und je größer seine Masse ist.

Die Spannenergie

Ein Bogenschütze beschleunigt den Pfeil durch einen Bogen, den er mit dem Arm spannt. Ein gespannter Bogen muss demnach Energie besitzen.

Merke Ein gespannter elastischer Körper hat Spannenergie. Sie ist umso größer, je stärker der Körper gespannt und je härter er ist.

Weitere Energieformen

Höhen-, Bewegungs- und Spannenergie nennt man auch mechanische Energien, weil das Gebiet, das sich mit Kräften und Bewegungen befasst, Mechanik heißt.

Auch ein heißer Körper hat Energie, denn er kann andere Körper erwärmen oder er kann leuchten. Diese Energie steckt im Inneren des Körpers bei den kleinsten Teilchen. Deshalb sagt man, ein heißer Körper hat innere Energie.

Die Energie des Benzins oder der Kohle steckt im chemischen Aufbau dieser Stoffe. Ihre chemische Energie wird erst bei der Verbrennung frei. Auch in der Nahrung ist die Energie chemisch gebunden.

Energieumwandlung und Energieübertragung

Versuch Lasse ein Pendel schwingen und beobachte die Bewegungen genau. Mache eine Aussage über die Energiearten die dabei auftreten. Stichwort: Höhenenergie und Bewegungsenergie.

Versuch Lasse eine rollende Kugel auf eine gleich große prallen und beobachte. Was geschieht mit der Bewegungsenergie der ersten Kugel?

Merke Energie kann umgewandelt werden. Nimmt eine Energieart ab, so nimmt eine andere Energieart gleichzeitig zu.

Der Zusammenhang zwischen Arbeit und Energie

Beispiel Ein Sack Getreide wird mittels Seil und Rolle hochgezogen. Der Mann am Seil verrichtet Arbeit. Der Sack gewinnt an Höhe und somit an Höhenenergie. Die Arbeit, die der Mann am Seil verrichtet, wird in Form von Höhenenergie gespeichert. Die Arbeit des Mannes wird in Form von Energie auf den Sack übertragen.

Merke Wenn Arbeit verrichtet wird, dann wird immer Energie übertragen oder umgewandelt. Arbeit ist Energieumsetzung.

Berechnung von Energie

Um Energien berechnen zu können, hat man festgelegt:
Die Energie eines Körpers ist so groß, wie die Arbeit, die er verrichten könnte, oder wie die Arbeit, die bei der Energieübertragung an ihm verrichtet wurde.

Beispiel Ein Sack hängt in 4 m Höhe und hat eine Masse von 75 kg. Wie groß ist seine Höhenenergie?
Was ist Arbeit?
Bewegen wir einen Körper unter Kraftaufwand, dann verrichten wir physikalische Arbeit.
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Dabei ist die Kraft gemeint, die in Richtung des Weges weist.

Die Arbeit, die verrichtet werden muss, um den Sack 4 m anzuheben ist:
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Das ist die Arbeit, die zum heben des Sackes aufgewendet werden musste. Genau diese Arbeit hat der Sack als Energie gespeichert. Für die Höhenenergie gilt also:
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Erhaltung und Entwertung von Energie

Kann Energie verloren gehen?

Versuch Ein Pingpongball wird auf harten Boden fallen gelassen. Er springt einige Zeit. Dabei verliert er immer mehr an Höhe und kommt schließlich zum Stillstand. Wo ist die Energie geblieben?

Die Energie wurde durch Luftreibung und Verformung in Wärme umgewandelt. Sie ist nicht verloren gegangen, sie wurde umgewandelt.

Energie-
erhaltungssatz
Energie kann nicht verloren gehen oder neu entstehen. Energie kann nur umgeformt oder übertragen werden. Aus Energie wird stets wieder Energie.

Die vom Pingpongball abgezweigte Energie (Wärme = innere Energie) hat für den hüpfenden Ball keinen Wert mehr. Man spricht deshalb von Energieentwertung. Sie tritt bei allen Energieumsetzungen auf. Die ursprüngliche Energie geht dabei in weniger nutzbare Formen über. Obwohl der entwertete Teil nicht verloren ist, spricht man im Alltag oft unkorrekt von Energieverlust oder Energieverbrauch.

Die Bewegungsenergie

Zusammenstellung aller wichtigen Bewegungsformeln

  Die gleichförmige Bewegung
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  Die gleichförmig beschleunigte oder verzögerte Bewegung
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  Der freie Fall
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  Dynamisches Grundgesetz (Newtonsches Kraftgesetz)
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Körper mit vorgegebener Anfangsgeschwindigkeit wird beschleunigt, bzw. verzögert

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  Die Arbeit
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  Die Höhenenergie
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Die Bewegungsenergie

Wie groß ist die Energie eines Körpers mit einer bestimmten Geschwindigkeit?

Vorüberlegung freier Fall.
Welche Energie wird frei, wenn ein Körper aus einer ganz bestimmten Höhe herabfällt? Nach dem bisher gelernten wissen wir, dass ein Körper, der angehoben wird die Höhenenergie
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erhält. (pot. = potentielle oder Höhenenergie)
Prallt der Körper auf dem Boden auf, so hat er kurz vor dem Aufprall die gleiche Energie wie auf seinem höchsten Lagepunkt, denn Energie geht ja nicht verloren. Allerdings ist die Energie kurz vor dem Aufprall seine Bewegungsenergie.
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In dieser Gleichung ist die Fallbeschleunigung nicht mehr enthalten, sondern neben der Masse nur noch die Geschwindigkeit. Daraus entnehmen wir, dass die Gleichung nicht nur für den freien Fall gilt, sondern für alle Bewegungsarten.

Merke Ein Körper mit der Masse m, der sich mit der Geschwindigkeit v bewegt, hat die kinetische Energie
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Beispiel Ein Auto mit der Masse m = 1000 kg fährt frontal auf einen Betonpfeiler. Welche Energie wird beim Aufprall frei, wenn das Auto eine Geschwindigkeit von 90 km/h hatte? (90 km/h = 25 m/s)

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Zum Vergleich:
1 kg Benzin hat einen Energiegehalt von etwa 44000 kJ, das ist etwa 200 mal soviel. Die Energie beim Aufprall wird aber im Bruchteil einer Sekunde frei.