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Ratgeber "einfach erklärt": Was ist mechanische Energie?

Was ist mechanische Energie? Bei welchen Vorgängen tritt sie in Aktion? Wie unterscheidet man mechanische von anderen Energieformen? Wie lässt sich mechanische Energie erzeugen und umwandeln?

Mechanische Energie ist eine der sogenannten Energieformen. Sie ist aufzubringen, wenn mechanische Arbeit verrichtet werden soll. Ein Beispiel: der Antrieb einer Maschine. Physikalisch ergibt sich die mechanische Energie, aus (gleich gerichteter) Kraft mal Weglänge, wobei die (Antriebs)Kraft gemeint ist, die ein Objekt über die bestimmte Wegstrecke bringt. Geht es um ein Anheben der Objekte, entspricht die dafür aufzubringende Kraft der Gewichtskraft, vorausgesetzt, es kommen keine sogenannten Reibungskräfte hinzu.

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Definition: Mechanische Energie

Die sogenannte mechanische Energie mit dem Formelzeichen: Emech ist die Energie (Formelzeichen: E) bzw. Energieform, die benötigt wird, um

  • einen beliebigen Körper zu heben oder zu beschleunigen oder
  • einen elastischen Körper zu verformen.

Da beim Heben, Beschleunigen oder Verformen eine Kraft auf den Körper wirkt, wird aus physikalischer Sicht Arbeit verrichtet, genauer: mechanische Arbeit. Daher versteht die klassische Mechanik, ein Teilgebiet der Physik, unter mechanischer Energie auch die Fähigkeit, die ein System besitzt, Arbeit zu leisten.

Will man die verrichtete Arbeit bzw. mechanische Energie mengenmäßig berechnen, sind nach dem Vorgeschriebenen zwei Faktoren wichtig:

  • der Betrag der Kraft, die auf den Körper einwirkt und
  • die Wegstrecke, über die hinweg die Kraft auf ihn einwirkt.

Definition: Mechanische Energie ist die Fähigkeit eines Körpers, aufgrund seiner Lage oder seiner Bewegung mechanische Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszusenden. Mechanische Energie kennzeichnet den Zustand eines Körpers. Sie wird deshalb auch als Zustandsgröße bezeichnet. Mechanische Energie kann in andere Energieformen umgewandelt und von einem Körper auf andere Körper übertragen werden. Spezielle Formen mechanischer Energie sind die potenzielle Energie (Energie der Lage) und die kinetische Energie (Energie der Bewegung).

So unterscheidet sich mechanische Energie von anderen Energieformen

Die Physik versteht unter Energie im Allgemeinen die Größe, die wegen der sogenannten Zeitinvarianz der Naturgesetze erhalten bleibt. Dabei wird unter der Zeitinvarianz die Eigenschaft eines Systems verstanden, die dafür sorgt, dass bei gleicher Eingabe jederzeit das gleiche Verhalten gezeigt wird.

Das lässt auf den sogenannten Energieerhaltungssatz schließen: Er sagt aus, dass man die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems nicht vermehren oder vermindern kann. Grundsätzlich gilt zudem: Energie ist vielfältig, sie kann in verschiedenen Formen in einem System vorkommen. Gängig ist die Klassifizierung von Energie in die folgenden Energieformen:

  • potentielle Energie (sogenannte Lageenergie), zum Beispiel: ein Ziegelstein auf einem Dach,
  • Rotationsenergie, zum Beispiel: Rotoren einer Schiffsschraube,
  • chemische Energie, zum Beispiel: Heizgas enthält gebundene chemische Energie,
  • thermische Energie (sogenannte Wärmeenergie, kurz: Wärme), zum Beispiel: Kaminfeuer,
  • Lichtenergie, zum Beispiel: Kaminfeuer,
  • magnetische Energie, zum Beispiel: Kühlschrankmagnet,
  • Kernenergie, zum Beispiel: der Vorgang der Uranspaltung setzt die Kernenergie der Uran-Atome frei,
  • kinetische Energie (sogenannte Bewegungsenergie): zum Beispiel: fahrendes Auto und
  • die hier betrachtete mechanische Energie.
Unterscheidung von mechanischer, potenzieller Energie und kinetischer Energie. (Grafik: energie-experten.org)
Mechanische Energie ist die Fähigkeit eines Körpers, aufgrund seiner Lage oder seiner Bewegung mechanische Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszusenden. Spezielle Formen mechanischer Energie sind die potenzielle Energie und die kinetische Energie. (Grafik: energie-experten.org)

Mechanische Energie - Formelzeichen und Maßeinheiten

Allgemein hat die physikalische Größe Energie das Formelzeichen E. Die einzelnen Energieformen der Liste oben kennzeichnet man mit extra tiefgestellten Buchstaben, mechanische Energie zum Beispiel hat dann das Formelzeichen: Emech.

Die SI-Maßeinheit - das Internationale Einheitensystem für physikalische Größen - für Energie ist Joule. Nach der eingangs erwähnten Berechnung der mechanischen Arbeit (Formelzeichen: W) als ein Produkt aus der in der Wegrichtung wirkenden Kraft (Formelzeichen: F) und des zurückgelegten Weges (Formelzeichen: δs) ergibt sich die Maßeinheit der mechanischen Energie aus den Maßeinheiten von Kraft (Newton; N) und Weg (Meter; m):

1 N mal 1 Meter = 1 Newtonmeter (Nm) = 1 Joule (J)

Mechanische Energie per Formel berechnen

Demzufolge muss die Formel zur Berechnung der mechanischen Energie oder mechanischen Arbeit so lauten:

Emech oder W = F mal δs

Rechenbeispiel aus der Praxis:

Zu abstrakt? Kein Problem - hier kommt ein Beispiel, das das Ganze anschaulich macht:

Die systemimmanente Gewichtskraft (FG) eines 100-Gramm schweren Apfels beispielsweise kommt in etwa einem Newton gleich. Beim Heben des Apfels - ganz gleich, aus welcher Position heraus - verrichtet man mechanische Arbeit, die nach der Formel

W = FG mal s = 1 N mal 1 m = 1 Joule

beträgt. Dass die mechanische Arbeit, die zum Heben aufzuwenden ist, umso höher sein muss, je schwerer dieser ist und je weiter der zurückzulegende Weg ist, lässt sich an der Formel auch zeigen.

Müssten zwei, drei oder mehr Äpfel um einen Meter gehoben werden, bräuchte man dazu analog zwei, drei oder mehr Joule mechanische Arbeit bzw. mechanische Energie.

Deshalb gilt auch: Dass die mechanische Energie von zwei, drei oder mehr Joule reichen würde, um nur einen Apfel um zwei, drei oder mehr Meter anzuheben. Ebenso gilt: Zwei Äpfel um zwei Meter zu heben, das erfordert eine mechanische Energie von vier Joule, denn 2 N mal 2 m = 4 J.

Expertenwissen: Vorausgesetzt, die Kraft bleibt gleich groß und richtet sich fest in eine, wenn auch beliebige Richtung (->), gilt: W = F-> mal s-> = F mal s mal cos α. Dabei steht α für den Winkel zwischen der einwirkenden Kraft und der zurückgelegten Wegstrecke.

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Mechanische Energie und ihre Unterarten

Die Physik unterscheidet mechanische Arbeit / mechanische Energie in mehrere Unterarten, die wir Ihnen im Folgenden näher vorstellen.

Hubarbeit und Gewichtskraft:

WHub und FG

Aus Erfahrung wissen Sie sicher, dass sich ein leerer Wäschekorb viel leichter heben lässt, als wenn er voll ist. Doch auch ein leerer Wäschekorb fühlt sich über eine lange Wegstrecke schwer an – je länger der Weg ist, desto schwerer fällt einem das Tragen und desto mehr Kraft/Arbeit ist dafür nötig. Die Alltagserfahrung zur Hubarbeit lässt sich physikalisch mit folgender Definition beschreiben:

Die Hubarbeit WHub verhält sich proportional zur Gewichtskraft FG sowie zur Hubhöhe h, in die der Körper gehoben wird. Die entsprechende Formel lautet:

WHub = FG mal h (auch Gewichtskraft mal Hubhöhe: m mal g mal h = WHub)

Reibungsarbeit und Reibungskraft:

WReib und FR

Soll ein Körper auf einer waagerecht ausgerichteten Ebene gleichförmig bewegt werden, muss der Reibungskraft WReib eine ebenso große Gegenkraft FR entgegen wirken. Die Reibungskraft WReib ist demnach definitiv proportional zur Reibungskraft FR sowie zum zurückgelegten Weg δs:

WReib = FR mal δs Für den Fall, dass mehrere Reibungskräfte am Wirken sind, ein rollender Ball bekommt es beispielsweise am Boden mit der Rollreibung und darüber mit dem Widerstand der Luft zu tun, summiert FR sämtliche Reibungskräfte.

Spannarbeit und Spannkraft:

WSpann und FS

Wirkt auf einen elastischen Körper wie eine Schraubenfeder eine Kraft, die ihn staucht oder streckt, muss er dieser eine Spannkraft entgegensetzen, die mit der Auslenkung zunimmt. Im Ruhezustand beträgt die Spannkraft der als Beispiel angeführten Feder Null. Wird sie um den Weg δs ausgelenkt, berechnet sich die Spannkraft nach der Formel δFS = -D mal δs

Expertenwissen: Für elastische Verformungen gilt, dass auf dem Weg δs im Schnitt nur die halbe maximale Spannkraft FS am Punkt der Auslenkung aufgewandt werden muss.

Die Spannarbeit WSpann ist proportional zur durchschnittlichen Spannkraft und der entsprechenden Auslenkung.

Kinetische Arbeit (Bewegungsarbeit)

Die kinetische Arbeit lässt sich in

  • Beschleunigungsarbeit (Kraft zur Überwindung der Trägheit eines Körpers entlang einer Strecke): WB = ½ mal m mal v2
  • und Rotationsarbeit (Kraft zur Überwindung der Trägheit eines Körpers in Rotation): WRot = ½ mal J (Trägheitsmoment) mal w2

unterscheiden.

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Weiterführende Informationen zur Energie berechnen

  • elektrische Energie
  • kinetische Energie
  • potentielle Energie
  • graue Energie

 

"Ratgeber: Mechanische Energie "einfach erklärt"" wurde am 10.06.2019 das letzte Mal aktualisiert.