Kinetische Energie

Ein typisches Beispiel für die kinetische Energie ist das Trampolinspringen. Ein Sportler springt in das Spannungstuch. Die im Tuch steckende Spannenergie schnellt den Springer nach oben. Am Springer wird gegen die Erdanziehung Hubarbeit geleistet. Er erhält Höhenenergie. Diese verrichtet nun im Zusammenwirken mit der Erdanziehung Beschleunigungsarbeit am Springer nach unten. Der Sportler erhält kinetische Energie. Diese wird benutzt, um das Tuch erneut zu spannen. Durch Reibarbeit wird kinetische Energie in Wärme umgewandelt. Leider lässt sich Wärme technisch nicht vollständig in andere Energieformen umwandeln.

Der ärgerliche Wertverlust der Wärmeenergie

Lassen wir eine Kugel an einem Faden als Pendel schwingen, wandelt sich die Höhenenergie (Kugel ist aus der Ruhelage ausgelenkt und angehoben) in kinetische Energie (Kugel schwingt) um. Würde keine Reibung an der Luft und an der Aufhängung auftreten, ließen sich die Energiearten vollständig ineinander umwandeln. Durch Reibung wird aber ein Teil der Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Diese Wärmeenergie ist technisch verloren, sie ist nur noch in Form von Wärme im Haken und in der Luft da. Die Energieumwandlung beim Auto von der chemischen Energie des Benzins bis zur kinetischen Energie (Bewegungsenergie) führt über eine Kette von Umwandlungen. Dabei summieren sich bei jeder Umwandlung auftretende „Verluste“.

Bei jeglicher Form von Pendeln entsteht kinetische Energie

Bei jeglicher Form von Pendeln entsteht kinetische Energie

Der Naturforscher Isaak Newton (1643-1727) hat die Physik “kraftvoll” vorangetrieben

Ihm zu Ehren wurde die Maßeinheit der Kraft 1 Newton genannt. Um einen Körper der Masse 1 kg aus der Ruhe zu beschleunigen, dass diese Masse nach 1 Sekunde die Geschwindigkeit 1 m/s hat, benötigt man die Kraft 1 Newton.
„Maß halten“ ist noch keine Arbeit. Um ein Bierglas zu halten ist nur Kraft notwendig.
Im physikalischen Sinn wird erst dann Arbeit verrichtet, wenn das Glas gegen die Erdanziehung hochgehalten wird. Je höher das Glas gehoben wird, umso größer ist die Arbeit. Die Maßeinheit ist gekennzeichnet mit 1 Joule = 1 J = 1 N x 1 m = 1 Nm (Newtonmeter). Die Arbeit von einem Joule ist verrichtet, sobald man eine Tafel Schokolade (102g) genau 1 m senkrecht hochgehalten hat.

James Prescott Joule (1818-1889)

Er war ein britischer Physiker. Joule lernte schon früh die Grundzüge der Arithmetik, Algebra und Geometrie kennen. Im Laufe seines Forscherlebens zu den Themen Elektrizität und Thermodynamik formulierte er im Jahre 1840 das Gesetz der elektrischen Erwärmung. Das Joulesche Gesetz ist nach ihm benannt. Was hat er schließlich herausgefunden? Er entdeckte, dass ein elektrischer Strom in einem Leiter in jeder Sekunde eine bestimmte Wärmemenge erzeugt. Diese Wärmemenge entspricht dem Widerstand des Leiters und dem Quadrat des Stromes proportional. Die physikalische Einheit für Energie, Arbeit und Wärmemenge nennt man Joule. Die Energiemenge 1 Joule ist also gerade die Energie, bei deren Umwandlung in eine andere Energieform die Arbeit 1 J = 1 Ws = 1 Nm verrichtet wird.

Kinetische Energie in der klassischen Mechanik

Jeder bewegte Körper besitzt kinetische Energie. Dabei ist die Bewegungsform unerheblich. Die Bewegungsenergie ist abhängig von der Geschwindigkeit (v) und der Masse (m) eines Körpers und wird nach der Formel E = 1/2m*v(2) berechnet. Das heißt also, wenn sich die Masse verdoppelt, dann verdoppelt sich auch die kinetische Energie. Bei Verdopplung der Geschwindigkeit vervierfacht sich jedoch die Bewegungsenergie des Körpers. Ein Massekörper wird durch Umwandlung oder Übertragung von Energie in Bewegung gesetzt.

Folgende Ursachen bringen ein Objekt in Bewegung:

  • Umwandlung von potenzieller in kinetische Energie beim Fallen eines Objektes.
  • Übertragung von Bewegungsenergie eines Körpers auf einen Anderen, beispielsweise beim Werfen eines Balles.
  • Umwandlung elektrischer Energie in Bewegungsenergie.
  • Umwandlung von chemischer Energie in Bewegungsenergie beim Verbrennungsmotor.
  • Bei lebenden Objekten wird auch chemische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt.

Bei jedem Bewegungsvorgang auf der Erde wird letztlich die kinetische Energie durch Reibung in Wärmeenergie umgewandelt. Auch Wärmeenergie ist eine Form von kinetischer Energie. Nur erfolgt hier eine Transformation gerichteter Bewegungsenergie eines einzelnen Objektes in die ungerichtete Bewegungsenergie von Atomen und Molekülen.

Auch ein ruhendes Objekt enthält kinetische Energie. Das soll am Beispiel eines ruhenden Steins erläutert werden. Dieser Stein bewegt sich beispielsweise aufgrund der Rotationsenergie der Erde mit und erhält einen kleinen Teil dieser Bewegungsenergie. Weiterhin bewegt sich die Erde um die Sonne. Das Sonnensystem besitzt eine Eigenbewegung und unterliegt außerdem der Rotationsenergie der Milchstraße. Auch die Galaxis vollzieht Eigenbewegungen und besitzt weiterhin noch einen Anteil an der Expansionsenergie des gesamten Universums. Für den Stein auf der Erde bedeutet die Summierung dieser Energieanteile einen ungeheuren absoluten Gehalt an kinetischer Energie, die der Mensch jedoch nicht registriert, weil er sich im gleichen Bezugssystem befindet.

Kinetische Energie in der relativistischen Mechanik

Mit der Expansion des Universums können die mechanischen Gesetze bereits nicht mehr mit der klassischen Mechanik erklärt werden. Nähert sich nämlich die Geschwindigkeit von Massekörpern der Lichtgeschwindigkeit, dann gelten die Gesetze der relativistischen Mechanik. Teilchen oder Körper mit Ruhemasse können jedoch niemals genau den Wert der Lichtgeschwindigkeit erreichen. In diesem Falle wäre unendlich viel Bewegungsenergie notwendig. In Teilchenbeschleunigern werden Elementarteilchen zu relativistischen Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Ihre extrem hohe kinetische Energie wird dann bei Teilchenzusammenstößen gemäß der Formel E = m*c(2) in die Masse neuer Teilchen verwandelt.

Kinetische Energie in der Quantenmechanik

In extrem kleinen Dimensionen gelten die Gesetze der Quantenmechanik. Die kinetische Energie der Teilchen kann gemäß des Planckschen Wirkungsquantums nur noch als diskrete gequantelte Energiepakete betrachtet werden. Des Weiteren kann man die Bewegung der Elementarteilchen aufgrund des Heisenbergschen Unschärfeprinzips nur als Dualismus zwischen Teilchen- und Welleneigenschaften erklären.