Arbeit gleich null?
1.Warum wird keine Arbeit verrichtet, wenn der Weg senkrecht zur Kraft ist? Ich weiß, Skalarprodukt und so, aber wie kann man es sich physikalisch vorstellen?
2. Halte ich ein Gewicht bei gestreckten Arm, wird keine Arbeit verrichtet, aber trotzdem schmerzt mein Arm - woran liegt das?
4 Antworten
- Du hast Recht, das Skalarprodukt ist nur eine mathematische Beschreibung, die erst mal nichts erklärt sondern nur feststellt, wie es ist. Die Erklärung steckt eigentlich in deiner zweiten Frage drin: Warum wird keine Arbeit verrichtet, wenn eine Kraft anliegt, aber kein Weg zurückgelegt wird? Denn das ist ja genau das, was passiert, wenn Kraft und Weg senkrecht zueinander sind: Entlang der Kraftrichtung wirkt zwar eine Kraft, es wird aber kein Weg zurückgelegt, entlang der Wegrichtung wird zwar ein Weg zurückgelegt, aber keine Kraft liegt an, also wird jeweils keine Arbeit verrichtet.
- Warum wird nun keine Arbeit verrichtet, wenn kein Weg zurückgelegt wird, und warum schmerzen beim Festhalten eines Gegenstands trotzdem die Muskeln? Letzteres liegt daran, dass unser Körper etwas seltsam funktioniert, da geschieht komplizierte Biochemie und es wird auch tatsächlich Energie zum Anspannen der Muskeln benötigt - diese wird aber nicht an den festgehaltenen Körper in Form von Arbeit übertragen, sondern als Wärme freigesetzt. Wenn du ein Buch auf den Tisch legst, "hält" der Tisch das Buch auch "fest", zumindest sorgt er dafür, dass das Buch nicht auf den Boden fällt. Dafür ist aber keine Energie nötig, der Tisch muss nicht mit Strom versorgt werden, um die Dinge festhalten zu können, die auf ihm liegen.
Ich hoffe, ich konnte deine Frage zumindest teilweise beantworten, wenn du Rückfragen hast, frage gerne nochmal nach!
Aber wie ist das bei einer Kreisbewegung damit das Gerät dass die Kreisbewegung durchführt läuft braucht man zb Strom aber bei der Kreisbewegung wird keine Arbeit verrichtet wie erklärt man das?
Das liegt daran, dass das Gerät laufend Energie in Form von Wärme abgibt, weil es beim Kreisen Reibungseffekte gibt. Unsere Erde kreist zum Beispiel um die Sonne und braucht dafür keinerlei Energiezufuhr - das klappt, weil es im Weltall keine (oder sehr wenig) Reibung gibt.
Nun, wenn die Turbine erst beginnt sich zu drehen, erhält sie durchaus Energie vom Dampf, die dann zur Rotationsenergie der Turbine wird. Erst wenn die Arbeitsgeschwindigkeit der Turbine erreicht ist, steigt ihre Rotationsenergie nicht mehr. Sie gibt dann all die Energie, die sie vom Dampf bekommt weiter, indem sie einen Generator antreibt. Ein Teil der Energie geht natürlich auch hier durch Reibung verloren, sodass etwas weniger Energie ins Stromnetz eingespeist wird, als der Dampf sie liefert.
Der Dampf gibt seine Energie an die Turbine, indem er ein Drehmoment auf sie ausübt, das ist sehr ähnlich zu einer Kraft, wird aber verwendet um Kreisbewegungen zu beschreiben.
In einer Turbine stehen Kraft und Weg nicht senkrecht aufeinander, sondern die Kraft ist tangential.
Klar, habe ich denn irgendwo irgendwas anderes geschrieben? :)
Vielen Dank habe mir mal etwas zur rotationsenrgie durchgelesen. Gilt die bei jeder Kreisbewegung weil da stand noch was von Verteilung der masseelemente. Bei einem Rad ist das ja überall relativ gleich aber was wenn nur eine Kugel an einem Seil um einen Mittelpunkt rotiert ?
Je weiter weg von der Drehachse ein Massenpunkt ist, umso schwerer ist er auf eine bestimmte Winkelgeschwindigkeit zu bringen, ein Vollzylinder (dessen Masse über sein ganzes Volumen verteilt ist) ist also leichter in Rotation zu versetzen als ein Hohlzylinder gleicher Masse (dessen Masse ganz außen am Rand sitzt).
Und nochmal zur turbine du sagtest ja sie gibt die Energie an den Generator weiter. Aber wir haben doch festgestellt dass die Turbine keine Arbeit verrichten kann da F senkrecht auf s steht. Oder habe ich einen Denkfehler ?
Nein, in diesem Fall steht F nicht senkrecht zu s, denn der Dampf drückt ja auf die Rotorblätter und beschleunigt die Rotation, zumindest bis sich ein Gleichgewicht einstellt.
Ja aber was ist wenn die Turbine die Energie an den Generator weitergibt? Wie macht sie das weil die dreht sich ja aber wir haben ja festgestellt bei einer Kreisbewegung wird keine Arbeit verrichtet also wie gibt sie die Energie weiter?
Es gibt hier zwei Richtungen, die im Spiel sind: Die radiale Richtung (zeigt aus dem Zentrum raus bzw. zum Zentrum hin) und die tangentiale (zeigt entlang der Bahn bzw. der Kreislinie).
Wenn nur eine radiale Kraft wirkt, wie etwa die Gravitationskraft der Sonne auf die Erde, dann wird keine Arbeit verrichtet, weil die Erde sich in tangentiale Richtung bewegt, Kraft und Weg stehen also senkrecht aufeinander.
Wenn aber auch eine tangentiale Kraft wirkt, dann wird durchaus Arbeit verrichtet, denn nun zeigen Kraft und Weg in die gleiche Richtung.
Wenn du zum Beispiel eine Rakete in die gleiche Umlaufbahn absetzt, wie die der Erde, dann dreht sich die Rakete, wie auch die Erde um die Sonne und keine Arbeit wird verrichtet.
Aber wenn du nun den Antrieb der Rakete einschaltest, wobei der "Auspuff" rückwärts zeigt, dann beschleunigt die Rakete auf ihrer Bahn, es wird also Arbeit an ihr verrichtet und sie gewinnt an kinetischer Energie.
Das ist klar aber wie genau gibt die Turbine denn die Energie an den Generator ?
Nun, den Generator kannst du dir wie ein Fahrrad-Dynamo vorstellen, man dreht eine Spule im Feld eines Permanentmagneten (oder umgekehrt) und dadurch wird in den Wicklungen der Spule eine Spannung induziert.
Beim Fahrrad wird die Spule gedreht, indem sie mit dem Fahrradreifen in Kontakt gebracht wird, der sie zum Drehen bringt. Bei der Turbine wird die Spule einfach mit dem Rotor der Turbine mitgedreht.
Also die Turbine dreht sich und das Teil dreht sich mit ist das mechanische Arbeit ? Aber ist ja weder hub noch Reibungsarbeit Ort oder so
Es gibt nicht für jede Art von Energie und Arbeit einen Namen, obwohl man durch den Physikunterricht in der Schule diesen Eindruck gewinnen könnte. Aber wenn du so willst, ist das eine Beschleunigungsarbeit, zumindest solange die Turbine noch nicht die Arbeitsgeschwindigkeit erreicht hat.
Ja gut denke man könnte sagen thermische Energie wird in mechanische und dann in elektrische umgewandelt
Sehr gute Hilfe vielen Dank
Wenn du mal wieder eine Frage siehst von mir gerne antworten :)
Bitte bitte! :) Klar, wenn mir gute Fragen aus meinem Kenntnisgebiet über den Weg laufen, antworte ich gerne!
Aber vielleicht doch nochmal was zur ersten Frage 1:
Wie soll ich mir das genau vorstellen mit dem senkrecht stehen zueinander. Ich meine bei einer geradlinig gleichförmigen Bewegung wird keine Arbeit verrichtet weil ja keine Kraft wirkt. Aber was macht es für einen Unterschied ob das jetzt senkrecht ist oder nicht?
Schau bitte, ob mein Kommentar weiter unten auch diese Frage klärt.
Gibt es überhaupt noch weiter Beispiele für solche Fälle außer einer Kreisbewegung ?
Jain. Man könnte zum Beispiel ein rollendes Auto betrachten: Es wirkt eine Gravitationskraft darauf, aber sie führt zu keiner Arbeitsverrichtung, weil das Auto horizontal rollt, aber die wirkende Kraft vertikal gerichtet ist.
Aber das Problem bei diesem Beispiel ist, dass das Auto eine weitere Kraft erfährt, nämlich die Gegenkraft der Unterlage (der Straße in dem Fall). Insgesamt heben sich die Kräfte in vertikale Richtung also zu Null auf. Wäre diese Gegenkraft nicht da, dann würde das Auto Richtung Erdzentrum fallen und es würde tatsächlich Arbeit an ihm verrichtet werden (da ja nun auch der Weg Richtung Erdzentrum in Kraftrichtung zeigt).
Wenn man das zu Ende denkt, dann führt jede Kraft, die nicht durch eine andere Kraft ausgeglichen ist, entweder zu einer Veränderung des Geschwindigkeitsbetrags (dann wirkt sie in Bewegungsrichtung und es wird Arbeit verrichtet) oder der Geschwindigkeitsrichtung (dann wirkt sie senkrecht zur Bewegungsrichtung und es wird keine Arbeit verrichtet, es entsteht dann eine Kreis- oder eine Schraubenbahn).
Natürlich kann eine Kraft auch irgendwie schief wirken, dann führt ein Teil von ihr zu dem einen und der andere Teil zu dem anderen Effekt.
Aber wenn sich zwei Kräfte zu null aufheben heißt das ja nicht dass keine abriet verrichtet wird.schiebe ich einen Stein an über eine reibende Fläche und der Stein hat eine konstante Geschwindigkeit die ich ihm zuführe dann verrichte ich ja trz Arbeit
Willst du wieder einen Namen haben? ;) Die heißt im Deutschen "Normalkraft": https://de.wikipedia.org/wiki/Normalkraft
Wenn jetzt ein Auto zb eine schiefe Ebene hochfährt brauch es ja mehr Energie als auf gerader Strecke weil ja hier noch potentielle Energie dazukommt aber woher weiß das Auto dass es eine schiefe Ebene hochfährt. Verändert sich die Reibung oder was genau?
Bist du schon mal einen Berg hoch gelaufen? Wie fühlt sich das an, welche Kräfte wirken auf dich?
Normalkraft und hangabtriebskraft addiert ergeben die genau die gravitationskraft aber die wirkt ja auch in der Ebene?
Also wie kann man es erklären anhand der Kräfte das mehr Arbeit nötig ist?
Am besten spiele mal mit diesem Applet etwas herum: https://www.geogebra.org/m/BuQZpmFY
Du kannst die Neigung der Ebene verändern, indem du den blauen Punkt neben dem Körper ziehst. Setze den Haken bei "Resultierende Kraft anzeigen" und beobachte, wie sie sich mit dem Steigungswinkel verändert.
Warum ist hier die normalkraft entgegengerichtet zu der normalkraft die man sonst immer in den Zeichnungen von der schiefen ebene kennt .
Weil im Deutschen leider sowohl die Kraft des Körpers auf die Unterlage als auch die Gegenkraft der Unterlage "Normalkraft" heißt - beide sind ja vom Betrag her genau gleich und zeigen in entgegengesetzte Richtungen. In anderen Sprachen nennt man die beiden Kräfte aber durchaus unterschiedlich.
Aber warum kann man die Gravitationskraft so einfach in zwei Kräfte aufsplitten?
Um zu verstehen, warum man Kräfte in Komponenten aufspalten kann, ist es vielleicht besser erst zu verstehen, wie man zwei Kräfte zu einer Gesamtkraft zusammenfügen kann.
Wenn zwei Kräfte in die gleiche Richtung wirken, ist es einfach: Ich addiere einfach ihre Beträge. Interessanter wird es, wenn die beiden Kräfte in unterschiedliche Richtungen wirken. Stell dir zum Beispiel vor, zwei Hunde ziehen an ihren Leinen, und zwar so, dass die Leine einen 90° Winkel einschließen. In welche Richtung wirkt dann die Gesamtkraft auf den Menschen, der die Leine hält?
Hallo Lukas2812,
das hängt mit GALILEIs Trägheitsprinzip und Relativitätsprinzip zusammen:
- Erfährt ein Körper keine Kraft, so behält er eine konstante Geschwindigkeit v› (Betrag und Richtung!) bei. Eine Kraft F› ist grundsätzlich nicht als Ursache von Bewegung erforderlich, sondern als Ursache der Änderung von Bewegung (Trägheitsprinzip). Die Änderungsrate a› hat dieselbe Richtung wie F›.
- Fortbewegung ist relativ. Wenn relativ zu einem Bezugspunkt O ein Punkt O' sich mit einer Geschwindigkeit v› bewegt, so kann man ebensogut O' als Bezugspunkt wählen und O als mit –v› bewegt ansehen. So kannst Du den Erdboden als riesiges Laufband ansehen, auf dem Du ggf. in einem Zug auf der Stelle rollst.
Dies passt nicht dazu, dass eine zur Bewegungsrichtung senkrechte Kraft Arbeit verrichtet. In diesem Fall würde ja etwa die Schwerkraft an einem frei fallenden Stein in der Interpretation der Erde als Laufband viel mehr Arbeit verrichten als in der Interpretation als ruhend; schließlich legt der Stein in dieser eine viel längere Wegstrecke zurück.
Halte ich ein Gewicht bei gestreckten Arm, wird keine Arbeit verrichtet, aber trotzdem schmerzt mein Arm - woran liegt das?
Du „verbrauchst“ auch Energie, wenn Du den Stein hältst, denn dieses scheinbar statische Halten ist eigentlich ständige Bewegung, nur mikroskopisch. Nur wird die ganze so verrichtete Arbeit in Wärme verbratzt bzw. verheizt.
Ein mit konstantem Tempo geradeaus fahrendes Auto muss ja auch ständig Arbeit verrichten, und zwar gegen die Reibungskraft, ohne dass dabei wirklich mechanische Arbeit am Auto verrichtete würde, denn das Auto gewinnt ja weder an Tempo noch an Höhe. Die Energie wird verheizt.
Für 2. Hab ich dir eine Antwort. Die Arbeit ist durch m*g*h oder auch F*h definiert. F als m*g (die Gewichtskraft) ist durchaus vorhanden, denn auf der Erde gilt ein Ortsfaktor von 9,81 N/kg und dein Gewicht verfügt ja auch über eine Masse. Lass es mal eine Masse von 10 kg haben, so wäre F=m*g=10kg*9,81N/kg=98,1 N. Das heißt eine Kraft wirkt "nach unten". Setzt du das nun aber in die Formel der Arbeit ein, so erhältst du: W=F*h=98,1*0m=0. Das liegt daran, dass du das Gewicht nicht nach oben bewegst und somit keine Arbeit verrichtest.
Wenn du das Gewicht hälst, wendest du Kraft auf, aber verrichtest physikalisch gesehen keine Arbeit!
Ich stelle mir das immer so vor, wenn du eine Kraft aufwendest aber keine Arbeit verrichtrichtest, hast du die Gesamtenergie des Systems nicht verändert!
Lg
Und wie ist das am Bsp einer turbine:
Sagen wir durch einen Kanal kommt heißer Dampf zur Turbine dort versetzt sich die Turbine dann in Bewegung. Aber wir haben ja festgestellt eine Kreisbewegung verrichtet keine Arbeit wie kann die Turbine dann im Kraftwerk ihre Energie weitergeben?und noch eine Frage zum Dampf: wie wird die Energie des Dampfes auf die Turbine übertragen? Kann man da irgendwas mit F*s rechnen?