Physik, 1. Trimester - Mechanik, Folge 8
In diese Sendung von Telekolleg-Physik werden die Begriffe Arbeit und Energie eingeführt. Diese nehmen in der Mechanik eine herausragende Position ein. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:
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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: Der Abbau von Braunkohle
im Tagebau z.B. zerstört Landschaft und ihre Verbrennung trägt
stark zur CO2-Problematik bei, ein Kernkraftwerk
birgt ein hohes radioaktives Risiko. Alternative Energieformen
wie die Solarenergie
und die Windenergie
können für Entlastung sorgen, zunehmend wird jedoch ein immer
sparsamerer Umgang mit Energie erforderlich. Bei elektrischer
Energie z.B. kann jeder persönlich seinen Energieverbrauch am Elektrizitätszähler
in der Einheit Kilowattstunden (kWh) ablesen.
Am Beispiel eines elektrischen Materialaufzugs
an einer Baustelle wird die Hubarbeit eingeführt. Mit einem
Messgerät kann bei verschiedenen Massen und Höhen jeweils der
elektrische Energieverbrauch in kWh abgelesen werden: 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. Mit einem Flaschenzug
lässt sich die nötige Zugkraft vermindern, aber im gleichen
Verhältnis wächst die Wegstrecke, längs der die Kraft wirkt.
Das konstante Produkt Kraft mal Weg wird als Hubarbeit
bezeichnet, für die Einheit Newton mal Meter 1 N m wird die
Einheit 1 Joule = 1
J gewählt. Der Zusammenhang zu den Kilowattstunden lautet: 1
kWh = 3,6 Mio. Joule.
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. Es lässt sich mathematisch nachweisen, dass das
Produkt aus Hangabtriebskraft und Wegstrecke gleich ist dem
Produkt aus Gewichtskraft mal Höhe. Dies gilt unabhängig von
der Höhe. Im Extremfall einer waagrechten Bewegung wird ein
Gewicht nicht gehoben. Die Höhe und die Hangabtriebskraft ist
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.
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. 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 wird.
Der Schluchsee im Schwarzwald ist ein Stausee, der als 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. Der Stausee
beinhaltet somit eine gigantische Menge an potenzieller
Energie. Zur Veranschaulichung zeigt eine Rechnung,
dass alle Fernseher 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.
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.