Es wäre doch schön, wenn ein Schiff über den Ozean fährt, das die Energie für den Antrieb dadurch erhält, dass es das umgebende Meerwasser abkühlt und die gewonnene Energie für die Motoren verwendet. / Geht nicht. Wäre ein Perpetuum Mobile – und das gibt es nicht.
Es wäre doch schön, wenn eine Wasserpumpe ihre Energie dadurch gewinnt, indem sie das Wasser wieder herunterlaufen lässt und durch ein Wasserrad schickt, das Strom „erzeugt“. Diese Maschine würde dann ewig laufen. / Geht nicht. Wäre ein Perpetuum Mobile – und das gibt es nicht.
Diese Texte sind Starthilfen zum Lernen. Sie geben Ihnen einen Einblick, worum es bei dem Thema geht. Die Idee. Achtung: Es ist möglicherweise nicht unbedingt genau das, was Ihr:e Prüfer:in darüber hören möchte. Es ist auch nicht der ganze Stoff. Machen Sie sich nach dem Lesen des Textes ein eigenes Bild mit Ihren Büchern und den anderen Quellen. Ein freies Online-Schulbuch aus Österreich: https://physikbuch.schule, aus Deutschland: https://www.leifiphysik.de/. Weitere empfehlenswerte Schulbuchreihen der Oberstufe aus Österreich: Big Bang, Sexl, Physik kompakt.
Energie und Masse können ineinander umgewandelt werden. Beschrieben wird diese Energie-Masse-Äquivalenz durch Einsteins berühmte Formel E=mc2 Anwendung findet das Ganze bei der Kernfusion in der Sonne – sie „verliert“ an Masse durch das Versenden von Energie. Oder bei der Kernspaltung: die zerfallenen Teilchen haben weniger Masse als das Ausgangsteilchen. Wir sprechen da oft von „Massendifferenzen“.
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Erhaltungsgrößen sind wichtige geistige Konzepte. Das Verständnis davon. Gemeint ist: es passiert etwas, es gibt ein Vorher und ein Nachher. Was auch immer passiert ist, die Erhaltungsgrößen haben sich nicht geändert. Massen zum Beispiel sind Erhaltungsgrößen. Die Zutaten für einen Kuchen wiegen genau so viel wie ein Kuchen. Mit elektrischen Ladungen ist es ähnlich. Eine Ladung, die vorher da ist, muss nachher auch da sein.
Etwas förmlicher ausgedrückt: „In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller elektrischen Ladung konstant.“
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Wenn sich etwas dreht, bleiben zwei Sachen gleich: die Geschwindigkeit der Drehung in Kombination mit der Masse, und die Richtung der Drehachse. Es wäre falsch, wenn wir einfach sagen „die Geschwindigkeit der Drehung“ ist erhalten. Gemeint ist Folgendes. Bei einer Drehung dreht sich ja immer eine Masse. Diese Masse kann nahe der Drehachse sein, dann ist sie „unauffällig“, die Masseteilchen müssen ja hier nicht weiträumig durch die Gegend fliegen. Wenn die Masse weit aussen ist, dann ist sie wirkungsvoll. Wir sprechen hier vom Drehimpuls, der Masse, Geschwindigkeit und Distanz zur Drehachse kombiniert. Der muss erhalten bleiben.
Am besten sieht man das an einem Beispiel: Eiskunstläufer machen eine Drehung am Eis. Arme weit ausgestreckt. Sie drehen sich langsam. Sie ziehen die Arme an, Drehimpuls muss erhalten bleiben, das System reagiert mit einer schnelleren Drehung. Und sie fallen nicht um, die Drehachse ist stabil.
Weiteres Beispiel: Die Richtung der Drehachse der Erde ändert sich über das Jahr hinweg nicht (sie ist leicht gekippt gegenüber der Ekliptik, der Ebene der Erdumlaufbahn um die Sonne). Das führt zu den Jahreszeiten.
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Wenn zwei Objekte aneinanderstoßen, treten sie in Wechselwirkung. Sie tauschen Impuls aus, und Energie. Wenn der Stoß hart ist, sieht die Situation anders aus, als wenn der Stoß weich ist, wenn es also eine Knautschzone gibt. Es kommt auf Geschwindigkeiten, Massen, Winkel und Knautschzonen an. Schön sind diese Prozesse bei Billard auch zu beobachten. Die Kugeln dort sind hart, es gibt keine Knautschzonen.
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Wenn so viel in unserer Gesellschaft von Energie abhängt, muss sie bereitgestellt werden. Energiewirtschaft. Wirtschaften bedeutet, mit begrenzten Ressourcen umzugehen. Es ist nun keine Kunst, Erdölprodukte zu verbrennen, um sein Land zu betreiben. Es ist eine größere Kunst, nachhaltig Energie bereitzustellen, und nachhaltig bedeutet, dass es die natürlichen Ressourcen nicht ausbeutet, und das Klima nicht verändert. „Green Label“ wird oft gennant – Energie aus nachhaltigen Quellen: Wasserkraft, Windkraft, Solarenergie. Nachhaltigkeit bedeutet aber auch, dass sparsam mit Energie umgegangen wird. Bekannt ist hier der Rebound-Effekt: Flachbildschrime für Fernseher und Monitore brauchen weniger Energie als früher die Röhrenbildschirme. Das führte aber dazu, dass nun viel größere Monitore verwendet werden, der Einsparungseffekt ist dahin. Es ist also gar nicht so leicht, Energiewirtschaft und Nachhaltigkeit unter einen Hut zu bringen. Aber es geht.
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Mit Energie kann man viele Sachen machen. Manchmal ist es gut, viel Energie zu haben, manchmal schlecht. Es gibt mehrere Energieformen: Aufgrund der Lage (Potenzielle Energie), der Geschwindigkeit (kinetische Energie), es gibt chemische Energie, Wärmeenergie, elektrische Energie, Bindungsenergie, und so weiter. Diese Energieformen können ineinander umgewandelt werden.
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Vielleicht einer der wichtigesten zentralen Aussagen der Physik ist der „Energieerhaltungssatz“: In einem abgeschlossenen System kann Energie weder erzeugt noch vernichtet werden, Energieformen können aber ineinander umgewandelt werden. Dabei wird auch immer etwas Wärme übertragen – der Wirkungsgrad ist nie 100%.
Ein Pendel wandelt kinetische Energie in potenzielle Energie um. Ein Motor wandelt elektrische Energie in kinetische Energie um. Ein Generator macht das umgekehrt. Es gibt unzählige Beispiele.
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Wenn Energie von einem System mit mehr Innerer Energie in ein System mit weniger Innerer Energie fließt, sprechen wir von „Wärme“, die übertragen wird. Wärme ist also eine Prozessgröße, es ist ein Vorgang, ein Fließen damit verbunden. Die Natur bietet drei Möglichkeiten an, wie das passieren kann:
Wärmeleitung: Die beteiligten Systeme stehen in direktem Kontakt.
Wärmestrahlung: Das Ganze passier mit elektromagnetischer Strahlung (Licht)
Wärmetransport: Es werd Materie selbst übertragen – Konvektion.
Für alle drei Arten gibt es Heizungen, bzw. Wärmequellen, die wir aus dem Alltag kennen.
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Gleichgewichte spielen eine große Rolle in der Natur. Es gibt statische Gleichgewichte: du bilanzierst einen Besen auf deinem Finger. Er bleibt im (instabilen) Gleichgewicht. Auch wenn eine Zitrone in einer Schüssel liegt, bleibt sie ruhig, im Gleichgewicht, her aber im „stabilen“ Gleichgewicht. Und es gibt dynamische Gleichgewichte: es kommen genau so viele Leute bei der Tür herein, wie bei der anderen Tür wieder hinausgehen.
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Normalerweise befinden sich schwere Dinge am Boden. Flugzeuge am Flughafen stehen am Gate. Oder sie sinken nach unten, wenn sie im Wasser sind. Steine zum Beispiel. Aber Schiffe schwimmen. Heißluftballons schweben. Flugzeuge fliegen. Irgend etwas macht sie leichter. Und dieses Etwas wird „Auftrieb“ genannt.
Zwei Arten von Auftrieb können wir leicht unterscheiden:
Statischer Auftrieb – ohne Bewegung. Das Schiff schwimmt mit statischem Auftrieb. Der Heißluftballon schwebt.
Dynamischer Auftrieb – mit Bewegung. Das Flugzeug fliegt mit dynamischem Auftrieb. Das U-Boot fährt wieder zur Wasseroberfläche.
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„Was an Kraft gewonnen wird, geht an Weg verloren“.
Es gibt zwei Möglichkeiten, eine schwere Kiste in den 3. Stock zu schleppen. Sie ziehen die Kiste mit einem Seil von der Straße zum Fenster rauf, das ist der direkte Weg, der kürzeste. Er braucht aber die meiste Kraft. Oder sie gehen über schräge Stiegen damit. Da brauchen Sie weniger Kraft, Sie müssen aber einen größeren Weg zurücklegen.
Das ist die goldene Regel der Mechanik.
Man kann auch einfache Erfindungen bauen. Den Nagel zum Beispiel. Auf direktem Weg wird er mit dem Hammer (viel Kraft) in die Wand geknallt. Oder Sie wickeln eine schiefe Ebene (viel Weg) auf den Nagel auf. Ein Schrauben. Den drehen Sie in aller Ruhe (wenig Kraft), aber doch recht lange in die Wand. Es gibt noch viele weitere schöne Beispiele, die Sie am besten selbst herausfinden. Stichwort: Flaschenzug.
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Wenn du einen Sack Reis die Treppen hochschleppst, brauchst du Kraft. Du „arbeitest“ gegen die Schwerkraft. Je weiter dieser Weg nach oben ist, desto mehr arbeitest du. Das Produkt aus Kraft mal dem Weg gegen die Schwerkraft (auch gegen eine andere Kraft) wird Arbeit genannt. Sie steckt dann im Sack Reis drin – als „Energie“, als gespeicherte Arbeit. Diese Energie wird „potenzielle Energie“ genannt. Je schneller du diese Arbeit machst, desto mehr Leistung bringst du mit. Leistung ist Energie (Arbeit) pro Zeit. Damit kann man schon ziemlich gut alles alltägliche beschreiben. Ach ja, es gibt etwas Ähnliches mit der Geschwindigkeit. Damit du schneller wirst, brauchst du auch Kraft. Es gibt demzufolge noch eine zweite Energieart, die kinetische Energie, die du dann hast.
Noch ein Hinweis zum Foto: Genau genommen sollte „Die Energie im Tank“ am Tankwagen stehen. Den Ausdruck Kraft würden Physiker:innen hier eher nicht verwenden.
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