Mechanische Energie ist eine Energieform, die mit der Bewegung und Position eines Objekts verbunden ist. Es besteht aus zwei Hauptkomponenten: kinetischer Energie und potentieller Energie.
Es gibt viele Arten mechanischer Energie, aber sie können alle in kinetische Energie und potentielle Energie eingeteilt werden. Die Kinetik hängt mit der Geschwindigkeit und dem Potenzial in der Position des Objekts zusammen.
Die mechanische Energie eines Körpers ist die Summe seiner kinetischen Energie und seiner potentiellen Energie.
Das Energieerhaltungsprinzip verbindet beide Energien. In einem isolierten System, in dem kein Energieaustausch mit der Außenwelt stattfindet, bleibt die gesamte mechanische Energie erhalten, das heißt, die Summe aus kinetischer Energie und potentieller Energie bleibt über die Zeit konstant.
In nicht isolierten Systemen, beispielsweise solchen, die äußeren Kräften oder Reibung ausgesetzt sind, kann sich die mechanische Energie jedoch aufgrund der Umwandlung zwischen verschiedenen Energieformen ändern.
Definition mechanischer Energie
Wir können diese Art von Energie definieren als „die Fähigkeit, mechanische Arbeit zu leisten, die ein Körper aufgrund mechanischer Ursachen wie seiner Position oder seiner Geschwindigkeit besitzt.“
Arten mechanischer Energie
Mechanische Energie kann sich in verschiedenen Formen kinetischer und potentieller Energie manifestieren. Hier sind einige gängige Arten mechanischer Energie, die beide Arten kombinieren:
Lineare kinetische Energie: Dies ist die Energie, die mit der geradlinigen Bewegung eines Objekts aufgrund seiner Geschwindigkeit verbunden ist. In diesem Fall hängt die Energie von der Masse des Objekts und seiner Geschwindigkeit im Quadrat ab. Beispielsweise verfügt ein fahrendes Auto aufgrund seiner Masse und Geschwindigkeit über kinetische Energie.
Gravitationspotentialenergie: Dies ist die Energie, die mit der Position eines Objekts in einem Gravitationsfeld verbunden ist, beispielsweise die Energie, die ein hohes Objekt besitzt. Je größer die Höhe und Masse des Objekts, desto größer ist seine potentielle Gravitationsenergie.
Elastische potentielle Energie: Dabei handelt es sich um die Energie, die in elastischen Objekten wie Federn gespeichert wird, wenn diese zusammengedrückt oder gedehnt werden. Wenn die Spannung im Objekt nachlässt, wird diese Energie in kinetische Energie umgewandelt. Die Menge der elastischen potentiellen Energie hängt vom Ausmaß der Verformung des elastischen Objekts ab.
Rotationsenergie: Dies ist die Energie, die mit der Rotationsbewegung eines Objekts um eine Achse verbunden ist. Es wird hauptsächlich bei rotierenden Objekten wie Rädern, Zahnrädern oder Turbinen angewendet. Die Rotationsenergie hängt von der Masse des Objekts, seiner Massenverteilung und seiner Winkelgeschwindigkeit ab.
Vibrationsenergie: Es ist die Energie, die mit den Schwingungen oder Vibrationen eines Objekts verbunden ist. Man findet es in Systemen wie Pendeln, Gitarrensaiten oder vibrierenden Molekülen.
Bedenken Sie, dass sich diese Energiearten nicht gegenseitig ausschließen. Das heißt, es ist möglich, dass ein Objekt lineare kinetische Energie und potentielle Gravitationsenergie hat. Dies geschieht beispielsweise, wenn ein Ball in die Luft geworfen wird; Während es aufsteigt, hat es beide Arten von Energie.
Kinetische Energie: Energie, die von der Geschwindigkeit abhängt
Kinetische Energie ist eine Energieform, die ein bewegter Körper aufgrund der Massenträgheit besitzt.
Die kinetische Energie ist direkt proportional zur Masse des Körpers und zum Quadrat seiner Geschwindigkeit. Außerdem ist die kinetische Energie eines sich bewegenden Körpers gleich der Arbeit, die erforderlich ist, um den Körper aus dem Ruhezustand in den Zustand zu bringen, in dem er sich befindet.
Es gibt verschiedene Arten kinetischer Energie. Die beiden wichtigsten Arten sind jedoch:
Translationskinetische Energie, bei der sich das Objekt von einem Punkt zum anderen bewegt
Rotationskinetische Energie, bei der sich das Objekt um sich selbst dreht.
Potenzielle Energie: die Energie, die von der Position abhängt
Potenzielle Energie ist die Arbeit, die ein Objekt aufgrund seines Zustands leisten kann. Dieser Zustand kann die Position in einem Kraftfeld (z. B. Schwerkraft) oder die innere Konfiguration des Objekts sein.
Die Größe der potentiellen Energie ist nicht durch sich selbst definiert. Es wurde lediglich der Größenunterschied ermittelt.
Es gibt verschiedene Arten potenzieller Energie, von denen wir die folgenden hervorheben:
Elastische potentielle Energie, die von der darin gespeicherten Energie (z. B. einer Feder) abhängt.
Gravitationspotentialenergie, die von der Schwerkraft und damit von der Höhe abhängt.
Elektrische potentielle Energie.
Chemische potentielle Energie, wenn sie von ihrer chemischen Zusammensetzung abhängt.
Wofür wird mechanische Energie genutzt?
Mechanische Energie ist in vielen Bereichen unseres Lebens von wesentlicher Bedeutung und hat verschiedene praktische Anwendungen. Hier sind einige Möglichkeiten, wie mechanische Energie nützlich ist:
Arbeit und Bewegung
Eine Anwendung mechanischer Energie findet bei der Verrichtung von Arbeit und der Erzeugung von Bewegung statt.
In der Industrie dient es beispielsweise zum Antrieb von Maschinen und Werkzeugen und ermöglicht so die Herstellung und Produktion von Gütern. Es ist auch für den Betrieb von Fahrzeugen wie Autos, Flugzeugen und Zügen erforderlich, die diese Energieart für den Antrieb nutzen.
Stromerzeugung
Bei einem Großteil der Verfahren zur Stromerzeugung wird mechanische Arbeit geleistet. Sehen wir uns einige anschauliche Beispiele an:
Kernkraftwerke nutzen Dampfturbinen, um Wärme mithilfe von Generatoren in elektrische Energie umzuwandeln.
In Wasserkraftwerken wird die kinetische Energie des fließenden Wassers, das durch den Fall aus einer bestimmten Höhe gewonnen wird, zum Antrieb von Turbinen genutzt, die wiederum Strom erzeugen.
Windkraftanlagen nutzen die Rotorblätter von Windkraftanlagen, um die kinetische Energie der Flüssigkeit (Wind) in kinetische Rotationsenergie umzuwandeln. Auf diese Weise wird die mit der Geschwindigkeit der sich bewegenden Moleküle, also des Windes, verbundene Energie in mechanische Energie umgewandelt.
Transport von Personen und Gütern
Kraftfahrzeuge wie Autos, Lastwagen und Flugzeuge nutzen für ihre Fortbewegung mechanische Energie.
Zum Transport von Personen und Gütern gehören selbstverständlich auch öffentliche Verkehrssysteme wie Züge und Straßenbahnen.
Maschinen und Werkzeuge
In verschiedenen Industriebereichen ist mechanische Energie für den Betrieb von Maschinen und Werkzeugen unerlässlich. Vom Baugewerbe und der Landwirtschaft bis hin zur Fertigung und dem Bergbau treibt mechanische Energie die Maschinen an, mit denen Aufgaben wie Bohren, Schneiden, schweres Heben und andere Prozesse ausgeführt werden.
Erholung und Sport
Freizeit- und Sportaktivitäten sind weitere Aktivitäten, bei denen mechanische Energie genutzt wird.
Beispielsweise erzeugen und nutzen die Bewegungen des menschlichen Körpers bei Sportarten wie Radfahren, Leichtathletik oder Schwimmen mechanische Energie, da es zu einer Verschiebung und je nach Fall zu einer Höhenveränderung kommt.
Auch Fahrgeschäfte in Vergnügungsparks wie Achterbahnen und Riesenräder nutzen diese Energie, um für Nervenkitzel und Unterhaltung zu sorgen.
Alltagsbeispiele von Tag zu Tag
Im Alltag gibt es viele Beispiele für mechanische Energie:
Ein fallender Ball: Wenn wir einen Ball in der Hand halten, hat er potentielle Energie und keine kinetische Energie. Wenn wir es loslassen, nimmt es an Geschwindigkeit zu und verliert an Höhe. Das Gleiche gilt: Die kinetische Energie nimmt zu und die potentielle Energie ab.
In einem Elektromotor wird elektrischer Strom in kinetische Rotationsenergie umgewandelt, die zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt wird.
Ein elektrischer Generator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um. Beim Elektromotor verhält es sich genauso, nur in umgekehrter Richtung.
Ein Wasserkraftwerk (Wasserkraft) nutzt die potenzielle Energie des Wassers an der Spitze. Wenn das Wasser fällt, wird die potentielle Energie kinetisch.
Ein Verbrennungsmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die durch Verbrennung von Kraftstoff mechanische Energie aus chemischer Energie gewinnt.
Im Fall der Windenergie nutzen Windmühlen die kinetische Energie von Luftmolekülen, um sich gemäß der Theorie der Strömungsmechanik zu drehen.
