Energie, Arbeit und Leistung

Arbeitsblätter mit Übungen und Aufgabenzum Thema "Energie, Arbeit und Leistung" für Physik in der 8. Klasse am Gymnasium - mit Lösungen!

Mechanische Arbeit wird verrichtet, wenn ein Körper durch eine Kraft bewegt oder verformt wird.

Die Einheit für Arbeit W ist 1 Nm (Newtonmeter), wird aber oft auch in 1J (Joule) angegeben.

Für eine konstante Kraft F, die über einen Weg s geleistet wird, gilt: W=F∙s

Graphisch stellt die Arbeit in einem s-F-Diagramm die Fläche unter dem Graphen dar:

Spezialfall: Für die Hubarbeit gilt: W=FG∙h  mit der Gewichtskraft FG , die über einen Höhenunterschied h geleistet wird.

Wir an einem abgeschlossenen System Arbeit W verrichtet, oder verrichtet das System selbst Arbeit W, so verändert sich die Energie E des Systems. Als Formel lautet dieser Zusammenhang wie folgt: W=∆E

Deshalb besitzen Arbeit und Energie auch die gleiche Einheit (Joule).

Man unterscheidet drei Formen mechanischer Arbeit:

• Hubarbeit
• Beschleunigungsarbeit
• Spannarbeit
   

Hubarbeit führt zu einer Vergrößerung der Höhenenergie: WH=∆EH=FG∙h=m∙g∙h

Beschleunigungsarbeit führt zu einer Vergrößerung der kinetischen Energie: WB=∆Ekin=12∙m∙v²

Spannarbeit führt zu einer Vergrößerung der Spannenergie: WSp=∆ESp=12∙FE∙s=12∙D∙s²

Was man an Kraft spart, muss man an Weg zusetzen

Somit bleibt die insgesamt geleistete Arbeit konstant.

Diese Regel spielt vor allem bei Kraftwandlern wie Rollen oder Flaschenzügen eine wichtige Rolle!

Je nachdem wie schnell mechanische Arbeit verrichtet wird, wird mehr geleistet.
Die mechanische Leistung P gibt also an, wie schnell mechanische Arbeit verrichtet wird.

Die Einheit der Leistung P wird in W (Watt) angegeben: 1W=1J/s=1Nm/s

Eine Leistung von 1W wird verrichtet, wenn ein Körper mit einer Gewichtskraft von 1N in 1s um 1m gehoben oder in Richtung der Kraft bewegt wird.
Die uns bekannte PS-Angabe bei Kraftfahrzeugen ist auch eine Einheit für mechanische Leistung. Es gilt: 1PS = 736W

Die mechanische Leistung berechnet man wie folgt: P=W/t  mit der in der Zeit t verrichteten Arbeit W

Der Wirkungsgrad η gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie in genutzte Energie umgewandelt wird.

Er wird so berechnet: η=Enutz/Ezu

Je höher der Wirkungsgrad eines Systems, desto „besser“ ist das System, denn es wird mehr Energie in genutzte Energie umgewandelt.