Title: TALS Physik / Mechanik / p4-3 Energie

Q: Definition der Arbeit und ihre Einheit
A: Arbeit wird verrichtet, wenn eine Kraft längs eines Weges wirkt.
W = F · s · cosα
Einheit: J (Joule) = N·m = kg·m²/s². α ist der Winkel zwischen Kraft und Weg.

Q: Was bedeutet das cosα in W = F·s·cosα?
A: Nur die Kraftkomponente in Wegrichtung verrichtet Arbeit. Steht die Kraft senkrecht zum Weg (α = 90°, cos = 0), wird keine Arbeit verrichtet — z.B. beim Tragen einer Last waagrecht.

Q: Formel für die Hubarbeit
A: W_Hub = m · g · h
Arbeit, um einen Körper der Masse m um die Höhe h anzuheben (Kraft = Gewichtskraft, Weg = Höhe, α = 0).

Q: Wann ist die verrichtete Arbeit negativ?
A: Wenn die Kraft dem Weg entgegengerichtet ist (α > 90°, cosα < 0) — z.B. die Reibungskraft entzieht dem Körper Energie.

Q: Definition Energie
A: Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Sie wird durch Arbeit übertragen und in J (Joule) gemessen.

Q: Formel für die potentielle Energie (Lageenergie)
A: E_pot = m · g · h
Energie aufgrund der Höhe h über einem Bezugsniveau. Entspricht der Hubarbeit.

Q: Formel für die kinetische Energie (Bewegungsenergie)
A: E_kin = ½ · m · v²
Achtung: geht quadratisch mit v — doppelte Geschwindigkeit = vierfache Bewegungsenergie.

Q: Formel für die Spannenergie (elastische Energie)
A: E_spann = ½ · D · s²
In einer gespannten Feder gespeicherte Energie. D = Federkonstante (N/m), s = Auslenkung.

Q: Warum vervierfacht sich die Bewegungsenergie bei doppelter Geschwindigkeit?
A: Weil E_kin = ½mv² quadratisch von v abhängt: (2v)² = 4v². Deshalb wächst auch der Bremsweg quadratisch mit der Geschwindigkeit.

Q: Energieerhaltungssatz der Mechanik
A: Ohne Reibung bleibt die Summe der mechanischen Energien konstant:
E_kin + E_pot + E_spann = konstant
Energie wechselt nur die Form, sie verschwindet nicht.

Q: Endgeschwindigkeit beim freien Fall aus Höhe h (Energieansatz)
A: Aus m·g·h = ½·m·v² (Masse fällt heraus):
v = √(2·g·h)
Massenunabhängig — gilt auch für reibungsfreies Hinabgleiten.

Q: Wie wendet man den Energieerhaltungssatz auf eine Achterbahn an?
A: Höchster Punkt: viel E_pot, wenig E_kin. Tiefster Punkt: E_pot in E_kin umgewandelt → maximale Geschwindigkeit. E_pot,oben = E_kin,unten (reibungsfrei).

Q: Wohin geht die Energie bei Reibung?
A: Sie wird in Wärme (thermische Energie) umgewandelt. Die mechanische Energie nimmt ab, die Gesamtenergie bleibt aber erhalten.

Q: Energieumwandlung beim Fadenpendel
A: Im Umkehrpunkt: maximale E_pot, v = 0. Im tiefsten Punkt: maximale E_kin, h = 0. Dazwischen ständiger Wechsel — Summe konstant (ohne Reibung).

Q: Definition der Leistung und ihre Einheit
A: Leistung = Arbeit pro Zeit:
P = W / t
Einheit: W (Watt) = J/s. Sie misst, wie schnell Energie umgesetzt wird.

Q: Leistung über Kraft und Geschwindigkeit
A: P = F · v
Folgt aus P = W/t = F·s/t = F·v. Praktisch z.B. für Motoren bei konstanter Geschwindigkeit.

Q: Umrechnung Pferdestärke in Watt
A: 1 PS ≈ 735 W ≈ 0.735 kW. Umgekehrt: 1 kW ≈ 1.36 PS.

Q: Definition des Wirkungsgrades
A: η = E_nutz / E_zu (auch P_nutz / P_zu).
Verhältnis von nutzbarer zu zugeführter Energie, dimensionslos (oft in %). Immer η < 1, da stets Verluste (meist Wärme) auftreten.

Q: Kann der Wirkungsgrad grösser als 100 % sein?
A: Nein. Es gibt immer Verluste (Reibung, Wärme). η = 1 (100 %) wäre der verlustfreie Idealfall, der real nie erreicht wird.

Q: Beispiel-Wirkungsgrade: Glühlampe vs. LED
A: Glühlampe ≈ 5–10 % (Rest wird Wärme), LED ≈ 40–90 %. Deshalb sind LEDs viel energieeffizienter.

Q: Nutzenergie aus zugeführter Energie berechnen
A: E_nutz = η · E_zu. Beispiel: η = 0.85, E_zu = 2000 J → E_nutz = 1700 J; 300 J gehen als Verlust verloren.

Q: Funktionsweise eines Pumpspeicherkraftwerks (energetisch)
A: Überschussstrom pumpt Wasser nach oben → speichert E_pot. Bei Bedarf fliesst es zurück, treibt Turbinen → E_kin → elektrische Energie. Energiespeicher mit Wirkungsgrad ≈ 75–80 %.

Q: Warum ist der Bremsweg bei Tempo 100 viermal so lang wie bei Tempo 50?
A: Die zu „vernichtende“ Bewegungsenergie E_kin = ½mv² ist viermal grösser (v doppelt → v² vierfach). Bei gleicher Bremskraft wird der Weg viermal so lang.

Q: Vorgehen bei Energie-Aufgaben (Rezept)
A: 1. Bezugsniveau (h = 0) festlegen. 2. Energieformen vorher und nachher aufschreiben. 3. Energieerhaltung ansetzen (ohne Reibung) bzw. Verluste/Reibungsarbeit berücksichtigen. 4. Nach der gesuchten Grösse auflösen.

Q: Zusammenhang Arbeit und Energieänderung
A: Verrichtete Arbeit ändert die Energie des Körpers: Hubarbeit erhöht E_pot, Beschleunigungsarbeit erhöht E_kin, Reibungsarbeit verringert die mechanische Energie.

Q: Einheit Joule in Basiseinheiten und als Wattsekunde
A: 1 J = 1 N·m = 1 kg·m²/s² = 1 W·s. Daraus folgt auch 1 kWh = 3.6 · 10⁶ J = 3.6 MJ.