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Mechanische Arbeit und Lageenergie

SchulversuchMechanikKlasse 8Standard

Worum geht es?

Mechanische wird verrichtet, wenn eine einen Körper längs ihres Weges bewegt: W=F⋅sW = F \cdot s. Beim Heben ist das die Hubarbeit gegen die , und sie verschwindet nicht: Sie steckt danach als Lageenergie E=mghE = m g h im Körper, abrufbar beim Herabsinken. Der Versuch misst beides und prüft die zentrale Eigenschaft: Nur die Höhe zählt, nicht der Weg.

Warum macht man dieses Experiment?

und sind das Buchhaltungssystem der Physik: Mit ihnen werden Maschinen, Kraftwerke und Bewegungen bilanzierbar. Die Hubarbeit ist der einfachste Einstieg, weil (konstant: ) und Weg (Höhe) direkt messbar sind, und die Wegunabhängigkeit der Lageenergie ist die Eigenschaft, die den Energiebegriff überhaupt erst so mächtig macht.

Die physikalische Idee

Ein Wägestück wird mit dem Kraftmesser einmal senkrecht und einmal über eine schiefe Ebene auf dieselbe Höhe gebracht; und Weg werden jeweils gemessen und multipliziert. Für den Energieteil zieht das herabsinkende Gewicht über eine Rolle einen Wagen an: Die gespeicherte verrichtet sichtbar .

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

Wissenschaftliche Einordnung

Den Arbeitsbegriff prägten Coriolis und Poncelet um 1830 für den Maschinenbau; die Einheit ehrt James Prescott Joule, der und als wandelbare Energieformen nachwies. „ ist gespeicherte Arbeit“ wurde zum Leitmotiv der ganzen Physik.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Lageenergie: gespeicherte Arbeit abrufen

Weise nach, dass die im gehobenen Körper gespeichert ist: Das herabsinkende Gewicht soll über eine Rolle messbare Zugarbeit an einem Wagen verrichten.

Berechnet

  • — Lageenergie (in )

    mghm g h des gehobenen Stücks: das Energieguthaben vor dem Abrufen.

  • — Verrichtete Zugarbeit (in )

    Zugkraft am Wagen mal Zugweg: was beim Herabsinken tatsächlich herauskommt.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Das Energieguthaben des gehobenen Körpers: die Bilanzgrundlage.Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.

1Aufgabenstellung

Hebe das 2-kg-Stück auf 1,0 m (E=19,6 JE = 19{,}6\ \mathrm{J}) und lass es über die Umlenkrolle einen beladenen Wagen über den Tisch ziehen. Miss die Zugkraft am Wagen (separat per Kraftmesser) und den Zugweg, und vergleiche die verrichtete mit dem Energieguthaben.

2Vorbetrachtung

Die Behauptung „ ist gespeicherte “ verlangt einen Rückverwandlungs-Nachweis: Das gehobene Stück muss beim Sinken selbst als Antrieb taugen. Über die Rolle zieht es den Wagen gegen dessen (vorher gemessene) : Zugarbeit W=FR⋅sW = F_R \cdot s. Ideal käme genau mghmgh heraus; real weniger, denn Rolle und Schnur schlucken etwas, und das Stück kommt mit Resttempo unten an (Bewegungsenergie, hier klein bei langsamem Sinken). Die Erwartung also: WW deutlich messbar, nahe an, aber unter 19,6 J19{,}6\ \mathrm{J}, nie darüber. Auch das ist Prüfinhalt.

3Geräte / Stoffe

Rolle an der Tischkante, Schnur vom sinkenden Stück zum Wagen; der Wagen ist so beladen, dass er gleichmäßig langsam gezogen wird ( knapp unter der Zugkraft).

  • Wägestück 2,0 kg mit Öse

    Die gehobene Last: Ihre ist die Gegenkraft der .

  • Kraftmesser 25 N

    Misst Hub- bzw. Zugkraft auf beiden Wegen.

  • Schiefe Ebene (Brett, 3 m) mit Wagen

    Der alternative Weg nach oben: halbe , doppelter Weg.

  • Umlenkrolle mit Schnur und Anhängewagen

    Macht die gespeicherte Lageenergie als Zugarbeit sichtbar.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Sinkendes Gewicht, Umlenkrolle, gezogener Wagen; Energiepfeile: E_pot oben, Zugarbeit am Wagen, Verlustposten an Rolle und Restbewegung.

Zwei Bedingungen: eine Kraft und ein Weg in ihre RichtungArbeit wird verrichtetFs in KraftrichtungW = F · skeine ArbeitFs quer zur KraftW = 0Anstrengend ist beides. Arbeit im Sinn der Physik nur links.

ist mal Weg, aber nur der Weg IN Kraftrichtung zählt: Beim waagerechten Tragen wird (physikalisch) keine Hubarbeit verrichtet, so anstrengend es sich anfühlt.

Aufbau: Stativ mit Maßstab für den senkrechten Hub, Brett als schiefe Ebene (Länge 3 m auf 1,5 m Höhe stellbar), Wagen für den Ebenen-Hub, Wägestück 2,0 kg, Kraftmesser 25 N; für den Energieteil Umlenkrolle, Schnur und Anhängewagen.

5Durchführung

Schritt 1: Gleitreibungskraft des beladenen Wagens separat messen (gleichmäßiges Ziehen mit Kraftmesser).

Schritt 2: Stück auf 1,0 m heben, System einhängen, loslassen: Das Stück sinkt, der Wagen fährt.

Schritt 3: Zugweg des Wagens messen (bis das Stück unten ankommt).

6Beobachtung

Energiebilanz des Abrufs
GrößeWert
Energieguthaben mghmgh (2,0 kg2{,}0\ \mathrm{kg}, 1,0 m1{,}0\ \mathrm{m})19,6 J19{,}6\ \mathrm{J}
Reibungskraft des Wagens17,5 N17{,}5\ \mathrm{N}
Zugweg des Wagens1,0 m1{,}0\ \mathrm{m}
verrichtete Zugarbeit F⋅sF \cdot s17,5 J17{,}5\ \mathrm{J}

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Die gespeicherte ist abrufbar: Das sinkende Stück hat 17,5 J17{,}5\ \mathrm{J} Zugarbeit am Wagen verrichtet: rund 90 %90\ \% seines Guthabens von 19,6 J19{,}6\ \mathrm{J}. Der Rest steckt in Rollenreibung und der Bewegungsenergie beim Aufprall: benennbar, nicht verschwunden. Und wie gefordert liegt der Abruf unter dem Guthaben: Mehr als hineingesteckt kommt nie heraus.

Der Kreis schließt sich: Heben lädt den Energiespeicher (WHub=mghW_\mathrm{Hub} = mgh), Sinken entlädt ihn als nutzbare Arbeit. Genau dieses Prinzip treiben Pumpspeicherkraftwerke im Großformat: Wasser bergauf pumpen (Arbeit speichern), bergab durch Turbinen (Arbeit abrufen), mit um 80 Prozent: unsere 90 Prozent im Kleinversuch sind gute Gesellschaft.

8Fazit

Die ist als Lageenergie gespeichert und beim Sinken als Arbeit abrufbar: 17,517{,}5 von 19,6 J19{,}6\ \mathrm{J} kamen am Wagen an, der Rest ist benennbaren Verlusten zuzuordnen. Epot=mghE_\mathrm{pot} = mgh ist damit als Speichergröße nachgewiesen.

9Fehlerbetrachtung

Die Bilanz hat drei kleine Lecks, alle in dieselbe Richtung:

Rollen- und Schnurreibungeher systematisch

Ursache

Die Umlenkung schluckt einen Teil der Zugkraft.

Auswirkung

Am Wagen kommt weniger an als das Stück liefert: Der Abruf bleibt unter dem Guthaben.

Verbesserung

Leichtgängige Rolle; Verlust über Leerversuch (Schnur ohne Wagen) abschätzen.

Restgeschwindigkeit beim Aufpralleher systematisch

Ursache

Das Stück kommt bewegt unten an: Bewegungsenergie bleibt unverbucht.

Auswirkung

Weitere ein bis zwei Joule fehlen in der Zugbilanz.

Verbesserung

Wagenlast so wählen, dass das System sehr langsam sinkt.

Reibungskraft des Wagens nicht konstanteher zufällig

Ursache

Stick-Slip und Beladungsverrutschen.

Auswirkung

Die separat gemessene passt nur im Mittel zum tatsächlichen Zug.

Verbesserung

Mehrfach messen, Beladung fixieren.

Das Wichtigste

Arbeit

W=F⋅sW = F \cdot s ( konstant und längs des Weges): Einheit Joule, 1 J=1 N⋅1 m1\ \mathrm{J} = 1\ \mathrm{N} \cdot 1\ \mathrm{m}.

Hubarbeit

WHub=FG⋅h=mghW_\mathrm{Hub} = F_G \cdot h = m g h: Sie hängt nur von und Höhendifferenz ab, nicht vom gewählten Weg.

Lageenergie

Die verrichtete ist im Körper gespeichert: Epot=mghE_\mathrm{pot} = m g h, vollständig zurückholbar (bis auf ).

Wegunabhängigkeit

Rampe, Treppe oder Seilzug: gleiche Höhe, gleiche . Maschinen sparen , nie Arbeit (goldene Regel).

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