• Arbeit
  • SC
  • 15.05.2023
  • Naturwissenschaft
  • 9
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Hinweis zum Einsatz im Unterricht

Arbeit

Ar­beit

Im All­tag hat das Wort „Ar­beit“ viele Be­deu­tun­gen, in der Phy­sik al­ler­dings ist der Be­griff Ar­beit ein­deu­tig fest­ge­legt:



Ar­beit (W) wird ver­rich­tet, wenn eine Kraft (F) ent­lang eines Weges (s) ver­rich­tet wird.

Die Ein­heit der Ar­beit wird in Joule (J) - oder in New­ton­me­ter (Nm) - an­ge­ge­ben.



1 Joule ist gleich der Ar­beit, die durch die Kraft von 1 New­ton ver­rich­tet wird, wenn sich der An­griffs­punkt der Kraft um 1 Meter in der Rich­tung der Kraft ver­schiebt:

W = work (engl.) = Ar­beit

F = force (engl.) = Kraft

s = spa­ti­um (lat.) = Weg, Aus­deh­nung, Ent­fer­nung

Merke:

Die Rich­tung der Kraft und die Rich­tung des Weges müs­sen über­ein­stim­men!

Beim Heben einer Last stim­men die Rich­tung der Kraft (senk­recht) und die Rich­tung des Weges (senk­recht) über­einAr­beit wird ver­rich­tet.

Bei­spiel: Ein Ge­wicht­he­ber hebt ein Ge­wicht in die Höhe.



Beim Hal­ten hält der Ge­wicht­he­ber das Ge­wicht vor sich hin, stim­men die Rich­tung der Kraft (senk­recht) und die Rich­tung des Weges (waag­recht) nicht über­eines wird im phy­si­ka­li­schen Sinne keine Ar­beit ver­rich­tet.

Ar­beit wird ver­rich­tet.
Keine Ar­beit im phy­si­ka­li­schen Sinn!

Dass das waag­rech­te Hal­ten des Ge­wichts na­tür­lich sehr an­stren­gend für den Ge­wicht­he­ber ist, muss nicht spe­zi­ell er­wähnt wer­den, aber für den phy­si­ka­li­schen Be­griff von Ar­beit spielt das keine Rolle.



Pro­bier es selbst ein­mal aus:

Beim nächs­ten Ein­kauf halte die Ein­kaufs­ta­sche waag­recht von dei­nem Kör­per weg!

Ar­beit kann nicht er­spart, son­dern nur er­leich­tert wer­den.

Ver­wen­det man z. B. einen Hebel oder eine Rampe, um die not­wen­di­ge Kraft zu ver­rin­gern, so ver­län­gert sich der Weg ent­spre­chend – die Ar­beit bleibt aber gleich!

Bei­spiel Pump-​Speicherkraftwerk:

Kraft­wer­ke er­zeu­gen zu be­stimm­ten Zei­ten mehr Strom, als ei­gent­lich be­nö­tigt wird.

Die­sen über­schüs­si­ge Strom wird dann z. B. dazu ver­wen­det, Was­ser aus einem tie­fer ge­le­ge­nen Be­cken in ein höher ge­le­ge­nes Be­cken zu pum­pen. Dabei wird Ar­beit ver­rich­tet.



Das hoch­ge­pump­te Was­ser spei­chert diese Ar­beit in Form von En­er­gie. En­er­gie ist also ge­spei­cher­te Ar­beit.



Wenn zu einem spä­te­ren Zeit­punkt wie­der mehr Strom be­nö­tigt wird, lässt man das Was­ser aus dem Be­cken wie­der ins Tal. Dort treibt es eine Tur­bi­ne an und leis­tet wie­der Ar­beit. Mit­hil­fe eines Ge­ne­ra­tors wird dabei wie­der Strom er­zeugt.



Mehr zum Thema En­er­gie und sei­ner Ver­wandt­schaft zum Thema Ar­beit er­fährst du im Ka­pi­tel En­er­gie.

Ein­fa­che Re­chen­bei­spie­le zur Ar­beit:

Schau dir zu­nächst die Bei­spiel­rech­nung an und ver­su­che an­schlie­ßend, die fol­gen­den zwei Re­chen­bei­spie­le ei­gen­stän­dig zu lösen!

Ge­wicht­he­ber:



Der Welt­re­kord im Ge­wicht­he­ben (Sto­ßen) der Män­ner liegt bei 264 kg. Wir gehen davon aus, dass das Ge­wicht dabei 2,2 m in die Höhe ge­ho­ben wurde. Wel­che Ar­beit ver­rich­tet der Ge­wicht­he­ber?



1. Schritt: For­mel.



2. Schritt: Ge­wichts­kraft be­rech­nen!



3. Schritt: Er­geb­nis­se in For­mel ein­set­zen und aus­rech­nen.



Lö­sung:



Platz für ei­ge­ne No­ti­zen:
Bei­spiel 1:

Ein Ar­bei­ter zieht einen Be­ton­kü­bel (Masse 15 kg) auf ein 5 m hohes Ge­rüst. Wie groß ist die Ar­beit?
Lösung
For­mel:

Schritt 1: Ge­wichts­kraft be­rech­nen.




Schritt 2: In For­mel ein­set­zen und aus­rech­nen.


= 735,75 J

Bei­spiel 2:

Die He­be­büh­ne einer KFZ-​Werkstatt hebt ein Auto (900kg) 2,5 m in die Höhe. Wie groß ist die Ar­beit?
Lösung
For­mel:

Schritt 1: Ge­wichts­kraft be­rech­nen.




Schritt 2: In For­mel ein­set­zen und aus­rech­nen.


= 22.072,5 J


Und jetzt du:

1
Wie lautet die richtige Formel für die Arbeit?
2
Neben Joule kann die Arbeit noch in einer weiteren Maßeinheit angegeben werden. In welcher?
3
Er­gän­ze den Merk­satz um die feh­len­den Be­grif­fe!

Die Rich­tung der Kraft und die Rich­tung des Weges müs­sen übereinstimmen, damit wir in der Phy­sik von Arbeit spre­chen kön­nen.

4
Kann man sich Ar­beit er­spa­ren?
Lösung
Nein, aber man kann sich Ar­beit er­leich­tern. Ver­wen­det man z. B. eine Rampe oder einen Hebel, ver­rin­gert sich die not­wen­di­ge Kraft, dafür er­höht sich aber der Weg - die Ar­beit bleibt aber gleich!
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