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Mechanische Arbeit einfach erklärt

Klassenstufe:

Was ist mechanische Arbeit?

Wenn einem System Energie zugefügt oder abgenommen wird, dann spricht man dabei vom Verrichten von Arbeit. Die physikalische Arbeit entspricht laut ihrer Definition dann genau der zugefügten oder entnommenen Energiemenge. Damit taucht die Größe Arbeit immer dann auf, wenn sich der energetische Zustand eines Systems ändert. Wenn diese Änderung der Energie durch einen Prozess aus der Mechanik geschieht, dann spricht man von mechanischer Arbeit.

Die physikalische Arbeit wird mit dem Buchstaben W bezeichnet und hat die Einheit Joule (\(\text{J}\)) oder Newtonmeter (\(\text{Nm}\)):

\([W] = 1 \text{ J} = 1 \text{ Nm}\)

Unser Lernweg zur mechanischen Arbeit verrät dir alle weiteren Informationen, die du für die Definition der Arbeit kennen musst, und zeigt dir außerdem, mit welcher Formel du die mechanische Arbeit berechnen kannst.

Noch mehr Wissen zur mechanischen Arbeit findest du in diesen Lernwegen. Sie zeigen dir, welche Arten von mechanischer Arbeit es gibt und wie du mit ihnen umgehst und rechnest. Außerdem erklären wir dir, was es mit der Umwandlung von mechanischer Energie auf sich hat. Mit unseren Klassenarbeiten und deren Musterlösungen kannst du dein Wissen testen.

Was ist der Zusammenhang zwischen Energie und Arbeit?

Ihrer Definition nach entspricht die Arbeit \(W\) immer der Energie \(\Delta E\), die einem System zu- oder aus ihm abgeführt wird. In diesem Sinne kannst du die physikalische Arbeit als Energietransfer verstehen:

\(W = \Delta E\)

Dass das ein ganz wichtiges Konzept ist, erkennst du daran, dass die meisten Prozesse in der Physik darauf zurückzuführen sind, dass ein Energieaustausch stattfindet. Ohne eine Änderung der Energie ergibt sich also nichts oder nur wenig Interessantes, zum Beispiel eine immer gleich bleibende Bewegung.

Je nachdem, wie der Energietransfer genau aussieht, kann die Arbeit positiv oder negativ sein:

  • \(W > 0\): Wenn einem System von außen Energie zugeführt wird, so ist der Energietransfer \(\Delta E\) und damit auch die Arbeit \(W\) positiv. Man sagt dann, dass Arbeit am System verrichtet wird.
  • \(W < 0\): Wenn einem System Energie genommen wird bzw. das System Energie abgibt, dann ist der Energietransfer \(\Delta E\) und somit auch die Arbeit \(W\) negativ. Dann wird gesagt, dass das System Arbeit verrichtet.

Weil Energie in einem abgeschlossenen System immer erhalten bleibt, können wir Energie nur weiter- oder abgegeben. Zusätzlich ist es möglich, Energie von einer Form in eine andere umzuwandeln. Das geschieht zum Beispiel beim Fadenpendel, denn dort wandelt sich Lageenergie in Bewegungsenergie (und umgekehrt) um. Es ist uns dagegen nicht möglich, Energie zu erzeugen oder zu vernichten.

Welche Arten mechanischer Arbeit gibt es?

In der Mechanik tauchen vor allem diese Arten von Arbeit auf:

  • Hubarbeit ist die Arbeit, die du gegen das Gravitationsfeld der Erde verrichtest. Wenn du beispielsweise einen Gegenstand anhebst, dann erhöhst du seine potenzielle Energie. Durch das Anheben führst du dem System also Energie zu und verrichtest damit Arbeit.
  • Wenn du eine Feder zusammendrückst oder auseinanderziehst, dann arbeitest du gegen die Federkraft, die die Feder wieder auseinander- bzw. zusammendrücken möchte. Du führst der Feder Spannenergie zu und verrichtest damit Arbeit am System. Diese Arbeit wird Spannarbeit genannt.
  • Wenn du mit deinem Fahrrad zur Schule fahren möchtest, dann musst du es zunächst beschleunigen. Sonst fährt es ja nicht los. Damit erhöhst du die kinetische Energie des Fahrrads und verrichtest damit sogenannte Beschleunigungsarbeit.
  • Beim Fahren entsteht außerdem eine ganze Menge Reibung, zum Beispiel zwischen den Reifen und dem Boden. Dabei wird Reibungsarbeit verrichtet, denn ein Teil der kinetischen Energie des Fahrrads wird in thermische Energie umgewandelt, die dann als Wärme an die Umgebung abgegeben wird.

Alle diese Arten von Arbeit gehören zur mechanischen Arbeit. Natürlich gibt es neben der mechanischen Arbeit noch viele andere Formen der Arbeit, beispielsweise die elektrische Arbeit.

Wozu braucht man mechanische Arbeit?

Wir selbst verrichten jeden Tag mechanische Arbeit, auch wenn wir es nicht merken. Beim Treppensteigen erhöhen wir unsere potentielle Energie, und wenn wir kräftiger in die Pedale unseres Fahrrads treten, verrichten wir Beschleunigungsarbeit. In unserem Alltag hat das Verrichten von mechanischer Arbeit also vor allem etwas mit unserer Energie im Gravitationsfeld der Erde und Bewegungen zu tun.

Das gilt nicht nur für uns Menschen, sondern auch für unsere Maschinen. Wenn uns ein Aufzug oder eine Rolltreppe nach oben befördert, dann verrichtet der Aufzug an uns mechanische Arbeit, weil er – wie wir beim Treppensteigen – unsere potenzielle Energie erhöht. Wenn wir uns in die Straßenbahn setzen und diese losfährt, dann wandelt sie elektrische Energie in kinetische Energie um. Wir werden dabei beschleunigt und auch so wird an uns Arbeit verrichtet.

Ähnlich ist das auch für die anderen Arten der Arbeit. Wenn wir auf unseren Kugelschreiber oder die Tasten unseres Handys oder unserer Computertastatur drücken, dann verrichten wir Spannarbeit. Die Reibungsarbeit tritt bei allen Arten von Bewegungen auf. Weil sie oft ungewollt ist, versuchen wir sie meistens zu minimieren. Deshalb ist es zum Beispiel praktisch, Öl auf der Fahrradkette zu haben. Manchmal ist die Reibungsarbeit aber auch gewünscht, wenn wir zum Beispiel mit dem Auto bremsen und die Bremsbacken die Autoreifen durch Reibung anhalten.