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Arbeit, Energie, Leistung

Die drei Begriffe Arbeit, Energie und Leistung sind in der Physik sogenannte Formelzeichen. Sie beinhalten weitere Formelzeichen wie etwa Zeit, Weg und Kraft. Über Arbeit, Energie und Leistung werden verschiedene Parameter der Mechanik definiert und berechnet.

Was ist die Arbeit in der Physik?

Wenn ein Körper bewegt oder verformt wird, geschieht dies durch Arbeit. Die Berechnung der geleisteten Arbeit erfolgt über die Parameter Kraft mal Strecke. In der Formeldarstellung steht für Arbeit das Zeichen „W“ und als Maßeinheit wird Joule (J) oder Newtonmeter (Nm) verwendet. Ein Joule entspricht einem Newtonmeter.

Merke:

„W“ ist die Arbeit, gemessen in Joule oder Newtonmeter
„F“ ist die Kraft, gemessen in Newton (N)
„s“ ist die Strecke, gemessen in Meter (m)

Beispiel:
Über eine Strecke von 100 m wird ein Gegenstand mit einer Kraft von 20N geschoben. Wie viel Arbeit wird hierbei verrichtet?

Lösung:
F = 20N
s = 100m
W = ?

W = F * s
W = 20N * 100m
W = 2000Nm

Was ist die Energie in der Physik?

Beim Begriff Energie (E) muss zunächst beachtet werden, dass Energie in verschiedenen Formen vorkommt. So als Energie aus mechanischer Arbeit wie auch in Form chemischer, elektrischer oder thermischer Energie. An dieser Stelle geht es um die Energie aus mechanischer Arbeit, um den Bezug zu Arbeit und Leistung darzustellen.

Kommen wir zur potentiellen Energie. Darunter versteht man die Energie, welche man aufbringen muss, um ein Objekt eine gewisse Höhe zu heben. Beispiel: Ich hebe den Fernseher um 1 Meter nach oben, um diesen auf den Tisch zu stellen. Wie viel Arbeit muss ich dafür aufwenden? Die Antwort liefert die Formel zur potentiellen Energie (EPOT) Das Formelzeichen für die Energie ist das "E".

Werden Masse, Erdbeschleunigung und Höhe in die Formel eingesetzt, ist das Ergebnis die potentielle Energie. Wird das Objekt fallen gelassen, wird es aufgrund der Erdanziehung theoretisch immer schneller. Daraus ergibt sich wiederum die kinetische Energie. Aus dem Ergebnis einer Berechnung zur EPOT kann die kinetische Energie und damit die Aufprallgeschwindigkeit berechnet werden, die das Objekt bei einem Fall aus einem Meter Höhe besitzt.

Was ist die Leistung in der Physik?

Es geht bei der Leistung vor allem um die sogenannte mechanische Leistung, so etwa die mechanische Leistung einer Maschine, die sich zum Beispiel darüber definiert, wie viele Stücke die Maschine pro Stunde fertigt. Die Leistung ist hier der Quotient aus Arbeit und Zeit. Das Watt (W) ist dabei die physikalische Einheit und „P“ das zugehörige Formelzeichen.

P = W ÷ t

Beispiel: Eine Maschine verrichtet pro Stunde (3600 Sekunden) Arbeit von 3000 Joule. Was ist die mechanische Leistung daraus?

Lösung:
P = 3000J ÷ 3600s = 0,833 J/s

Die Leistung (P) ist folglich 0,833 Joule pro Sekunde

Quizfragen zum Thema

  1. Eine Kiste mit einer Masse von 100 kg muss um einen Meter angehoben werden. Wie viel Arbeit ist dafür aufzubringen?

    WHub = Fg * h = m * g * h

    = 100 kg * 9,81 N/kg * 1 m = 981 N * m = 981 J

    Es wird also eine Arbeit von 981 J benötigt, um die Kiste mit 100 kg Masse einen Meter anzuheben.

  2. Wie viel Energie besitzt 1 m3 Wasser (entspricht 1000 kg), das einen Wasserfall 110 m tief hinabfällt?

    EPot = m * g * h = 1000 kg * 9,81 M/s2 * 110 m = 1079100 N * m= 1079100 J = 1079,1 kJ

  3. Welche Leistung erbringt ein Motor, der eine Kiste mit einer Masse von 200 kg innerhalb von 6 Sekunden auf 4 m Höhe anhebt?

    P = W÷ t = (m*g*h) ÷ t = (200kg * 9,81 N/kg * 4m) ÷ 6s = 1308 N*m/s = 1308 W

    Der Motor erbringt eine Leistung von 1,3 kW abgerundet.

  4. Warum ist es Arbeit, wenn eine 10 kg schwere Kiste einen Meter angehoben wird und ist es ebenso Arbeit, wenn die Kiste längere Zeit in dieser Höhe gehalten wird?

    Beim Anheben der Kiste wird Hubarbeit (WHub) verrichtet:

    WHub = F * s = FG * h = m * g * h
    = 10kg * 9,81 N/kg * 1m = 98,1 N * m = 98,1 J

    Das Halten der Kiste ist im physikalischen Sinne keine Arbeit, denn der Einsatz der benötigten Kraft erfolgt nicht entlang einer Wegstrecke.

  5. Mittels einer Kraft von 15 Newton wird ein Körper über eine 5 m lange Strecke gezogen. Wie viel Arbeit wird dabei verrichtet?

    W = F * s = 15 N * 5m = 75 N * m = 75 J

    Der Aufwand an Arbeit beträgt 75 J.


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