Physik, 1. Trimester - Mechanik, Folge 8


Arbeit schafft Energie

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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Energieverbrauch und Energieressourcen

Bild aus der Sendung

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.


Hubarbeit

Bild aus der Sendung

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.


Schiefe Ebene

Bild aus der Sendung

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.


Potenzielle Energie

Bild aus der Sendung

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.


Eine Zirkusnummer

Bild aus der Sendung

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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