Wirkt eine Kraft auf einen Körper ein und bewirkt dabei eine Verformung, eine Beschleunigung oder ein Anheben des Körpers, so wird physikalische Arbeit verrichtet. Um die Größe der verrichteten Arbeit zu bestimmen, müssen der Betrag der Kraft und die Länge des Weges, entlang dessen die Kraft wirkt, bekannt sein. Show Definition:
(1)¶ Einheit:
Beispiele:
Unter der Bedingung, dass die Kraft konstant ist und in beliebiger, aber fester Richtung wirkt, gilt: Hierbei bezeichnet den Winkel zwischen der wirkenden Kraft und der zurückgelegten Wegstrecke.Arten mechanischer Arbeit¶Bei mechanischen Prozessen sind die folgenden Arten mechanischer Arbeit von entscheidender Bedeutung: Hubarbeit Erfahrungsgemäß ist es einfacher, einen leichten Körper hoch zu heben als einen schweren. Doch auch beim Heben zweier gleich schwerer Körper gibt es Unterschiede: Je weiter man einen Körper hoch heben muss, desto mehr Arbeit ist dafür nötig. Definition:
(2)¶ Die Hubarbeit kann mit Hilfe der Formel für die Gewichtskraft ( ) auch als geschrieben werden.Reibungsarbeit Um einen Körper auf einer waagrechten Ebene gleichförmig zu bewegen, muss der Reibungskraft eine gleich große Gegenkraft entgegenwirken. Definition:
(3)¶ Beim gleichzeitigen Auftreten mehrerer Reibungskräfte (beispielsweise Rollreibung und Luftwiderstand) entspricht der Summe aller auftretenden Reibungskräfte.Spannarbeit Die Spannkraft, die ein elastischer Körper (beispielsweise eine Schraubenfeder) einer Stauchung oder Streckung entgegensetzt, ist nicht konstant, sondern nimmt gleichmäßig mit der Auslenkung zu:
Entlang der Strecke muss im Durchschnitt nur die Hälfte der (maximalen) Spannkraft am Auslenkungspunkt aufgewendet werden. Für die durchschnittlich nötige Kraft gilt also:Dies gilt allgemein für elastische Verformungen. Definition:
(4)¶ Die Spannarbeit kann mit Hilfe der Formel für die Spannkraft ( ) auch als geschrieben werden, wobei die (oftmals experimentell zu bestimmende) Federkonstante des Körpers angibt.Beschleunigungsarbeit Zur Überwindung der Trägheit ist eine Kraft notwendig. Die zugehörige Arbeit, die bei einer Beschleunigung entlang einer Strecke auftritt, heißt Beschleunigungsarbeit.Definition:
(5)¶ Besitzt der Körper bereits eine Anfangsgeschwindigkeit und wird auf eine Endgeschwindigkeit beschleunigt, so beträgt die Beschleunigungsarbeit .Rotationsarbeit Zur Überwindung der Trägheit ist für eine Rotation ein Drehmoment notwendig. Die zugehörige Arbeit heißt Rotationsarbeit. Definition:
(6)¶ Besitzt der Körper bereits eine Anfangsgeschwindigkeit und wird auf eine Endgeschwindigkeit beschleunigt, so muss in Gleichung (6) anstelle die Differenz beider Winkelgeschwindigkeiten eingesetzt werden.Goldene Regel der Mechanik¶Während Kräfte durch entsprechende Hilfsmittel in ihrer Richtung oder ihrem Betrag geändert werden können, kann die für einen mechanischen Prozess nötige Arbeit nicht verringert werden; die Menge an Arbeit bleibt erhalten. Bei Verwendung eines Kraftwandlers ist die aufgenommene Arbeit stets gleich der abgegebenen Arbeit (Reibung wird vernachlässigt): Abgesehen von Reibungsverlusten bleibt das Produkt aus Weg und Kraft (entlang des Weges) stets konstant. Eine umgangssprachliche Formulierung für das Prinzip der Kraftwandlung („die goldene Regel der Mechanik“) lautet daher: Welche Arbeit wird verrichtet?Wenn eine konstante Kraft mit dem Betrag längs eines Weges wirkt, so wird die Arbeit W = F s ⋅ s verrichtet. Wichtige Typen der Arbeit sind: Hubarbeit, Beschleunigungsarbeit, Spannarbeit und Reibarbeit.
Wo wird mechanische Arbeit verrichtet?Mechanische Arbeit wird verrichtet, wenn ein Körper durch eine Kraft bewegt oder verformt wird. Die mechanische Arbeit beschreibt einen Vorgang oder Prozess. Sie wird deshalb auch als eine Prozessgröße bezeichnet.
Wann wird mechanische Arbeit verrichtet?Mechanische Arbeit wird immer dann verrichtet, wenn ein Körper durch eine Kraft bewegt oder verformt wird.
Welche Arbeit wird beim Bremsen verrichtet?Wir merken das daran, dass an den Bremsen Reibungsarbeit verrichtet wird, wenn sie den Wagen zum Stillstand bringen.
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