Arbeit, Leistung und Energie

Mechanische Arbeit

Die folgenden Experimente beziehen sich auf den Abschnitt Mechanische Arbeit.


Einfache Beispiele mechanischer Arbeit

Material:

  • Zwei Tragetaschen
  • Mehrere Bücher oder ähnliche Gewichte
  • Ein Tisch
  • Ein Stuhl

Durchführung:

  • Hebe zunächst eine leichte, dann eine schwere Tragetasche vom Boden auf den Tisch. In welchem Fall war die verrichtete Arbeit (spürbar) größer?
  • Stelle einen Stuhl auf den Tisch. Hebe die leichte Tragetasche vom Boden auf den Tisch. Stelle sie zurück auf den Boden und hebe sie anschließend auf den Stuhl, der auf dem Tisch steht. In welchem Fall hast Du hierbei mehr (Hub-)Arbeit verrichtet?
  • Nehme den Stuhl vom Tisch und schiebe ihn zunächst zwei, dann vier Meter weit über den Boden. Lasse dann einen Mitschüler auf den Stuhl sitzen und schiebe ihn erneut zunächst zwei, dann vier Meter weit. Wie wirkt sich in diesem Fall die Größe der Reibungskraft und die Länge des Weges auf die verrichtete Arbeit aus?

Mechanische Leistung

Die folgenden Experimente beziehen sich auf den Abschnitt Mechanische Leistung.


Leistung im Treppenhaus

Material:

  • Eine Stoppuhr
  • Ein langes Maßband oder ein Meterstab
  • Klemmbrett, Stift und Schreibblock
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SVG: Leistungsmessung im Treppenhaus

Durchführung:

  • Drucke die obige Tabelle aus oder fertige eine entsprechende Tabelle selbst an.
  • Gehe mit einigen Mitschülern oder Freunden in ein Treppenhaus. Wählt eine Treppe aus, die für ein gefahrloses Hochrennen gut geeignet ist.
  • Messe mit Hilfe eines langen Maßbandes oder eines Meterstabes die Höhe h der Treppe.
  • Notiere dir die Gewichtskraft F_{\mathrm{G}} = m \cdot g aller Läufer. (Gerundet: F_{\mathrm{G}} \approx \text{Masse in kg } \cdot \unit[10]{N})
  • Stoppe jeweils die Zeit t, die deine Mitschüler für das Hochrennen der Treppe benötigen und trage die Werte in die Messtabelle ein.
  • Berechne zunächst die verrichtete Arbeit W = F_{\mathrm{G}} \cdot h und anschließend die erbrachte Leistung P = \frac{W}{t}. Wer hat beim Hochrennen welche Leistung erbracht?

Mechanische Energie

Die folgenden Experimente beziehen sich auf den Abschnitt Mechanische Energie.


Sprunghöhe eines Flummis

Material:

  • Ein Flummi
  • Ein Maßband oder Meterstab
  • Stativmaterial (ein Stativfuß, eine lange und kurze Stativstange, eine Quermuffe)

Durchführung:

  • Lasse einen Flummi aus einer bestimmten Höhe (z.B. h = \unit[1,5]{m}) auf eine Stahl- oder Holzplatte oder auf Sand fallen.
  • Wie hoch springt der Ball zurück? Messe die Sprunghöhe und überlege, wie viel Prozent der Ausgangshöhe h sie beträgt.
  • Welche Energieumwandlungen sind aufgetreten? Was ist mit der “verlorenen” Energiemenge geschehen?

“Fallstudie” mit Steinen und Gewichten

Material:

  • Ein etwa faustgroßer Stein
  • Eine leere Blechdose
  • Mehrere unterschiedliche Gewichte
  • Fünf oder mehr gleichartige Nägel
  • Ein Hartschaum-Block

Durchführung:

  • Hebe einen Stein hoch und lasse ihn auf die Blechdose fallen. Wann wird Arbeit verrichtet? Welche Energieumwandlungen finden statt?
  • Drücke mit wenig Kraft die Nägel entlang einer Reihe und mit etwas Abstand zwischen den Nägeln in den Hartschaumblock hinein. Die Nägel sollten dabei gleich weit aus dem Hartschaum-Block heraus reichen und sich.
  • Lasse unterschiedlich schwere Gewichte aus jeweils der gleichen Höhe auf die Nägel fallen. Wie wirkt sich die unterschiedliche Masse der Gewichte oder eine andere Fallhöhe auf die Eindringtiefe der Nägel aus?

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