Theorie:
Energie kennzeichnet die Fähigkeit des Körpers die Arbeit zu leisten. Eine gespannte Bogensehne, eine gepresste Feder, ein vom Boden aufgehobener Stein, oder unter Druck gesetztes Gas können Arbeit verrichten.
Potenzielle Energie besitzen vor allem:
1. hochgehobene Körper (sie können beim Hinunterfallen Arbeit verrichten).
2. umgeformte elastische Körper (z.B. kann eine gespannte Bogensehne einen Pfeil abschießen);
3. unter Druck gesetzte Gasen (die Entfernung zwischen den Gasmolekülen verkleinert sich, und die Abstoßkraft zwischen ihnen vergrößert sich).
Von griechisch potenziell (potentia) bedeutet "die Möglichkeit".
Ein typisches Beispiel für potentielle Energie ist Wasser, das durch Verdunstung und Regen oder (als Grundwasser über Quellen) durch unterirdischen Druck in große höhen angehoben wird und beim hinabfließen Arbeit verrichten kann. Dies macht man sich bei Wasserkraftwerken zunutze.
Das Wasserkraftwerk in Itaipu, das sich an der Grenze zwischen Brasilien und Paraguaya auf dem Fluss Parana befindet, ist heutzutage das größte maschinelle Bauwerk der Welt. Seine Stauanlage hat \(14\) Schleusen, durch die in eine Sekunde je \(62200\) Kubikmeter Wasser strömen können.
Die potenzielle Energie eines Körpers in der Höhe \(h\) wird nach der Formel berechnet, wobei die Masse des Körpers, und die Erdbeschleunigung ist.
Wichtig!
Ein Körper kann gleichzeitig sowohl potenzielle als auch kinetische Energie besitzen, und sie können ineinander übergehen.
Ein schaukelnder Mensch besitzt die größte potenzielle Energie im höchsten Aufstiegspunkt. In diesem Punkt bleibt die Schaukel für einen Augenblick stehen, folglich ist in diesem Augenblick die kinetische Energie null.
Bei der Bewegung des Körpers aus der Lage \(1\) in die Lage \(2\), verkleinert sich die potenzielle Energie, während die kinetische Energie wächst (weil die Höhe des Körpers über den Boden sich verkleinert, und die Geschwindigkeit des Körpers steigt).
Wenn der Mensch sich im niedrigsten Punkt der Bahnkurve \(2\) befindet, ist die kinetische Energie am größten, denn in diesem Augenblick ist die Geschwindigkeit die höchste. Indem man sich von der Lage \(2\) in die Lage \(3\) bewegt, vergrößert sich die potenzielle Energie (denn die Höhe des Körpers vergrößert sich), und die kinetische Energie verkleinert sich (da die Geschwindigkeit des Körpers sich verkleinert).
In einem geschlossenen System bleibt die Summe der kinetischen und der potenziellen Energie in jedem Augenblick konstant.
Die Summe der potentiellen Energie und der kinetischen Energie eines Körpers heißt mechanische Energie des Körpers.
Eine angebundene Last in der Höhe \(h\) besitzt die höchste potentielle Energie, während die kinetische Energie (Energie der Bewegung) in diesem Augenblick \(0\) ist.
Wenn man den Faden zerschneidet, beginnt die Last den freien Fall, die Höhe verkleinert sich, während die Geschwindigkeit sich (mit der Beschleunigung \(g\)) vergrößert, folglich verkleinert sich die potentielle Energie, während die kinetische Energie steigt.
Zu jedem Zeitpunkt bis zum Aufprall ist die Summe der potentiellen und der kinetischen Energie gleich.
Im Augenblick des Zusammenstoßes verschwindet die Energie der Last nicht, sie wird dem anderen Körper - dem Nagel - übergeben. Unter der Einwirkung der Energie verformt der Nagel durch seine Bewegung das Holz. Ein Teil der Energie wird in innere Energie (Wärme) umgewandelt.
Jeder Körper besitzt innere Energie, die mit der Bewegung des Körpers nicht verbunden ist.
Die innere Energie ergibt sich aus der Bewegung der Atome und Moleküle des Körpers.
Beispiel:
Infolge des Zusammenstoßes beginnen die Teilchen sich schneller zu bewegen. Das macht sich als Erwärmung des Körpers bemerkbar. Bei der Spannung einer Feder verändert sich die potentielle Energie von Teilchen.
Ein Gummiband besitzt potentielle Energie aufgrund der gegenseitigen Anziehung der Moleküle.
Der Energieerhaltungssatz:
Energie kann nicht plötzlich verschwinden oder erscheinen, sie wird lediglich von einer Art der Energie in eine andere umgewandelt oder geht von einem Körper zu anderen über.Die Gesamtenergie des Körpers ist die Summe seiner mechanischen und inneren Energie.
|