In der klassischen Mechanik ist die kinetische Energie eines Objekts die Energie, die es aufgrund seiner Bewegung und seiner Masse besitzt. Je größer die Geschwindigkeit eines Objekts und je größer seine Masse, desto größer ist seine kinetische Energie.
Kinetische Energie wird auch als die Menge an Arbeit definiert, die erforderlich ist, um einen Körper einer bestimmten Masse auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu beschleunigen. Diese Energie bleibt konstant, solange die Geschwindigkeit des Körpers aufrechterhalten wird.
Diese Energieform ist in verschiedenen Zusammenhängen wichtig. In der Physik von Unfällen und Kollisionen wird es beispielsweise zur Analyse der Energieumwandlungen verwendet, die während des Ereignisses auftreten.
Darüber hinaus ist es in Bereichen wie Mechanik, Ingenieurwesen und Industrie von wesentlicher Bedeutung, da es uns ermöglicht, die Bewegung von Objekten für verschiedene Anwendungen und Technologien zu verstehen und zu nutzen.
Kinetische Energie wird nach dem internationalen Einheitensystem in Joule (J) gemessen.
Arten kinetischer Energie
Kinetische Energie kann je nach Kontext oder Bewegungsquelle in verschiedene Typen eingeteilt werden. Hier sind einige Beispiele für Arten kinetischer Energie:
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Linear: Es handelt sich um die Energie, die mit der geradlinigen Bewegung eines Objekts entlang einer Flugbahn verbunden ist.
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Rotation: Bezieht sich auf die Energie, die mit der Rotationsbewegung eines Objekts um eine Achse verbunden ist. Diese Art von Energie wird auf rotierende Objekte wie Räder, Turbinen oder Frisbees angewendet.
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Vibration: Es ist die Energie, die mit der Vibrationsbewegung eines Objekts verbunden ist. Es gilt für Systeme, die oszillieren oder vibrieren, wie zum Beispiel Gitarrensaiten, Moleküle in einem Gas oder Teilchen in einer Welle.
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Thermisch: Es handelt sich um die Energie, die mit der zufälligen Bewegung von Teilchen in einem System verbunden ist. Sie hängt mit der Temperatur des Objekts zusammen und ist auf die schnelle und konstante Bewegung von Atomen oder Molekülen zurückzuführen. Je höher die Temperatur eines Objekts ist, desto größer ist seine thermische kinetische Energie.
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Kinetische Energie subatomarer Teilchen: In der Teilchenphysik besitzen subatomare Teilchen wie Elektronen, Protonen oder Neutronen aufgrund ihrer Bewegung Energie. Diese Art von Energie ist in Kernreaktoren besonders relevant, da die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Kernspaltungsreaktionen von der Geschwindigkeit freier Neutronen abhängt.
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Fluidkinetische Energie: In der Fluidmechanik bezieht sich kinetische Energie auf die Bewegung eines Fluids, beispielsweise einer Flüssigkeit oder eines Gases.
Formel für kinetische Energie
Für jeden der oben genannten Typen gilt eine andere zu berechnende Formel. In diesem Abschnitt werden wir die linearen und Curl-Formeln erwähnen.
Formel für lineare translatorische kinetische Energie
Die Formel, die für Objekte angewendet wird, die sich geradlinig bewegen, lautet wie folgt:
Wo:
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m ist die Masse in Kilogramm (kg)
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v ist die Geschwindigkeit, ausgedrückt in Metern pro Sekunde (m/s).
Aus dieser Formel ist ersichtlich, dass die kinetische Energie direkt proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist. Das bedeutet, dass ein Objekt, das sich mit höherer Geschwindigkeit bewegt, eine viel höhere kinetische Energie hat als ein Objekt mit der gleichen Masse, aber geringerer Geschwindigkeit.
In der relativistischen Mechanik ist dies nur dann eine gute Näherung, wenn die Geschwindigkeit viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit ist.
Rotationskinetische Energieformel
Für die Berechnung eines um eine Achse rotierenden Körpers gilt Folgendes:
Wo:
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Ix: Trägheitsmoment.
Beispiele für kinetische Energie
Im Folgenden werden verschiedene Arten kinetischer Energie dargestellt:
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Ein fahrendes Auto: Das Auto verfügt aufgrund seiner Geschwindigkeit auf der Straße über lineare kinetische Energie. Auch die sich drehenden Räder des Autos verfügen über kinetische Rotationsenergie.
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Ein schwingendes Pendel: Ein Pendel, wie das einer Wanduhr, verfügt aufgrund seiner Schwingbewegung über kinetische Energie. Diese kinetische Energie ist vom Schwingungstyp.
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Ein sich bewegendes Fahrradrad: Ein sich bewegendes Fahrradrad hat kinetische Rotationsenergie. Außerdem verfügt das Fahrrad als Ganzes aufgrund seiner Geschwindigkeit über lineare kinetische Energie.
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Ein Flugzeug im Flug: Ein Flugzeug im Flug besitzt aufgrund seiner Geschwindigkeit in der Luft lineare kinetische Energie. Auch Motorblätter oder Propeller verfügen über kinetische Rotationsenergie.
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Ein in einem Teilchenbeschleuniger beschleunigtes Elektron: Elektronen, die in einem Teilchenbeschleuniger beschleunigt werden, gewinnen aufgrund ihrer Geschwindigkeit kinetische Energie. Dies entspricht der kinetischen Energie subatomarer Teilchen.
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Bewegter Wind: Bewegter Wind hat kinetische Energie, die mit seiner Geschwindigkeit verbunden ist. Diese kinetische Windenergie ist eine Form der kinetischen Flüssigkeitsenergie.
Zusammenhang zwischen potentieller und kinetischer Energie
In der Natur gibt es viele Energieformen und gemäß dem Energieerhaltungssatz kann Energie weder erzeugt noch zerstört, sondern von einer Art in eine andere umgewandelt werden.
Ein besonderer Fall sind diese beiden Energiearten: Die Summe beider ist mechanische Energie.
Potenzielle Energie ist die mechanische Energie, die mit der Position eines Körpers innerhalb eines Kraftfeldes verbunden ist, beispielsweise der Schwerkraft.
Befindet sich ein Objekt in einer bestimmten Höhe, verfügt es über eine potenzielle Gravitationsenergie (die von der Höhe abhängt). Wenn wir es fallen lassen, verliert es potenzielle Energie und wird in kinetische Energie (Bewegungsenergie) umgewandelt.
Ein Beispiel ist eine Achterbahn. Die mechanische Energie der Karren bleibt konstant, aber mit jedem Heben und Senken verändert sich ständig das Gleichgewicht zwischen potenzieller und kinetischer Energie.