Mechanische Energie: Ein Leitfaden für Anfänger zur Energie von Objekten und Bewegung

Mechanische Energie ist überall um uns herum. Ob es ein Kind ist, das einen Fußball tritt oder eine massive Windkraftanlage, die uns Strom liefert, es gibt kein Entkommen vor dieser Kraft. Aber was genau ist mechanische Energie? In diesem Leitfaden helfen wir Ihnen, mehr über mechanische Energie zu erfahren, wie sie funktioniert und Strom erzeugt und warum sie für Sie (und uns alle) wichtig ist.

Was ist mechanische Energie und wie funktioniert sie?

Mechanische Energie ist eine Frage der Physik. Es ist die Energie der Bewegung oder die Energie eines Objekts, das sich bewegt. Alle Lebensformen und viele Systeme verwenden mechanische Energie, um zu funktionieren, und die Energie der Bewegung kann im täglichen Leben gesehen werden. Einige Beispiele sind:

• Ein Kind hält einen Ball in die Luft, während es das Feld scannt, um es zu werfen. Sie wenden Kraft an (halten den Ball hoch), haben aber noch keine Arbeit ausgeübt (Kraft verursacht Verschiebung eines Objekts).
• Ein Kind tritt einen Ball (äußere Kraft) — die Kraft wirkt auf ihn und treibt ihn vorwärts.
• Ein Ball fliegt durch die Luft (Bewegungsenergie), steigt ab (Gravitationskraft), springt vom Boden ab, um wieder zu einem Punkt aufzusteigen (potentielle Gravitationsenergie), kommt dann wieder herunter und rollt zum Stillstand.
• Ein Flugzeug, das die Landebahn hinunterrast, repräsentiert die Energie der Bewegung.
• Ein rasantes Flugzeug, das in einen Hubschrauber knallt, überträgt kinetische Energie auf das andere Flugzeug.
• Ein Privatjet verlangsamt sich, um anzuhalten, wenn der Pilot bremst (Reibungskraft).

Mechanische Energie (kinetische Energie oder potentielle Energie) ist die Energie eines Objekts in Bewegung oder die Energie, die in Objekten durch ihre Position gespeichert ist.

Mechanische Energie ist auch ein Treiber erneuerbarer Energien. Viele Formen erneuerbarer Energien sind auf mechanische Energie angewiesen, um ausreichend Strom zu erzeugen oder Energie umzuwandeln.

Zwei Beispiele für erneuerbare Energien, die auf mechanische Energie angewiesen sind, sind Wasserkraft und Windenergie.

Mechanische Energie ist nur eine von mehreren Energieformen, zu denen auch:

• Licht
• Wärme
• Schallenergie
• Chemische Energie
• Elektrische Energie
• Kernenergie

Interessanterweise sind alle diese Energieformen austauschbar und werden je nach den Umständen von einem Zustand in einen anderen übertragen. Das liegt daran, dass das wissenschaftliche Gesetz der Erhaltung besagt, dass Energie niemals aufhört, vollständig zu existieren; es kann sich nur von einer Form in eine andere ändern.

Was sind einige Beispiele für mechanische Energie?

Mechanische Energie kann durch Lebewesen, feste Gegenstände, Gase, Wasser oder Luft erzeugt werden. Beispiele für mechanische Energie gibt es überall.

Potentielle und kinetische Energie sind nur zwei Beispiele, die wir sehen oder erleben können.

Ein Beispiel für potentielle Energie

Stellen Sie sich vor, Sie kommen von Ihrem örtlichen Bauernmarkt nach Hause und unter Ihrem Korb mit Bio-Leckereien befindet sich eine fette, saftige, runde Wassermelone.

Sie stellen die Wassermelone auf Ihre Küchentheke. Es hat jetzt potentielle Energie wegen seiner Höhe über dem Küchenboden und wegen seines Gewichts.

Dann stoßen Sie versehentlich mit dem Ellbogen an, während Sie ein Glas herausziehen, um Ihre frischen Bio-Kaffeebohnen aufzubewahren. Sie klettern, um es zu fangen, während die Melone beginnt, zum Rand der Theke zu rollen. Dies ist die Energie der Bewegung.

Weil Sie Ihre Hände voll mit einem Glas und einer Tüte Kaffee haben, fällt Ihre Melone zu Boden (Gravitationskraft – ein Beispiel für nichtkonservative Kraft), zerschmettert die Keramikfliese und explodiert in eine Unmenge Stücke. Jetzt wurde “Arbeit” geleistet, weil der Aufprall die Melone in Stücke von saftigem Brei zerbrach. Die gestrichelte Wassermelone erzeugt auch Schallenergie, eine der zuvor diskutierten Energieformen.

Ein Beispiel für kinetische Energie

Quelle

Viele von uns sind begeistert von sauberer Energie wegen ihrer positiven Auswirkungen auf den Klimawandel. Wir können einen grünen Energieplan wählen, wenn wir einen Stromanbieter auswählen, oder wir können Sonnenkollektoren in unserem Haus installieren.

Wenn wir uns für einen grünen Energieplan entscheiden, wird diese Energie oft von Turbinen erzeugt. Es gibt verschiedene Arten von kinetischer Energie, mit denen die Turbinen zur Stromerzeugung arbeiten.

• Wind: Die Windkraftanlage zum Beispiel ist eine Art erneuerbare Energietechnologie, die Strom aus Luftbewegung erzeugt. Wenn der Wind weht, dreht er die Schaufeln der Turbine in einer kreisförmigen Bewegung, die eine stromerzeugende Antriebswelle dreht, während sie sich dreht.
• Dampf: In ähnlicher Weise nutzen Dampfturbinen Druck, um die Arme einer Turbine zu bewegen. Die Schaufeln drehen sich in einer kreisförmigen Bewegung, während der Dampf bläst, wobei mechanische Energie verwendet wird, um eine Rotatorwelle zu drehen. Die Rotatorwelle ist mit einem Generator verbunden, der die kinetische Energie aufnimmt und in elektrische Energie umwandelt. Das gleiche Verfahren wird verwendet, um Dampfmaschinen zu betreiben.

• Wasser: Wasserkraft erwirbt die mechanische Energie, Wasser durch Wasserturbinen oder Pumpspeichersysteme zu bewegen. Ähnlich wie Wind- oder Dampfturbinen nutzen Wasserturbinen die kinetische Energie von fließendem Wasser, um Schaufeln zu drehen. Auf der anderen Seite verwenden Pumpspeichersysteme Wasserreservoirs in verschiedenen Höhen, um Wasser hin und her zu bewegen und Wasserkraft zu erzeugen. Beide Methoden spiegeln die natürlich vorkommenden mechanischen Energiekräfte von Flüssen, Bächen, Wasserfällen, Ozeanen und sogar Regen wider.

Ist mechanische Energie potentiell oder kinetisch?

Es gibt zwei Arten von mechanischer Energie – Bewegung (kinetische Energie) und gespeichert (potentielle Energie). Sie können mehr in unserem Leitfaden erfahren, der potentielle und kinetische Energie erklärt.

Die mechanische Umwandlung hängt davon ab, wie viel potentielle Energie ein Objekt hat und wie viel kinetische Energie es erzeugen kann.

Unabhängig vom Potenzial ist die Bewegungsenergie jedoch ein wesentlicher Bestandteil der Stromerzeugung, und viele energieerzeugende Quellen könnten ohne sie nicht funktionieren.

Mechanische Energie hängt von der Position und der Bewegung eines Objekts ab, und seine Kraft ergibt sich aus der Summe von bewegter (kinetischer Energie) und gespeicherter (potentieller) Energie. Mit anderen Worten, wenn die potentielle Energie eines Objekts mit seiner kinetischen Energie kombiniert wird, erzeugt es mechanische Energie.

Zum Beispiel gewinnt eine Achterbahn die meiste potentielle Gravitationsenergie, wenn sie den ersten Höhepunkt zu Beginn der Fahrt erreicht — das ist es, was die Gesamtmenge an Energie festlegt, die verfügbar ist, um die Autos für die Dauer der Fahrt vorwärts zu treiben.

Wenn es auf einen seiner Hügel oder Schleifen aufsteigt, gewinnt es potentielle Energie — je höher es geht, desto mehr potentielle Energie bekommt es. Wenn es in eine Abwärtsbewegung übergeht, beginnt es, seine potentielle Energie in kinetische Energie umzuwandeln. Wenn sich der Wagen den Hügel hinunterbewegt, nimmt seine kinetische Energie zu; Gleichzeitig nimmt seine potentielle Energie ab.

Einige Beispiele für Objekte mit potentieller Energie sind ein Felsbrocken am Rand einer Klippe, Wasser in einer verstopften Badewanne oder eine Abrissbirne, die darauf wartet, abgerissen zu werden. Alle diese befinden sich in der Energie der Position, bevor sie rollen, fließen oder schwingen.

Kinetische Energiequellen kommen von Bewegungs- oder Gravitationskräften wie Meereswellen, Dampf, fließendem Wasser oder Wind. Es kann auch die Energie sein, die ausgeübt wird, wenn eine Person rennt, springt, tanzt, ein Auto fährt oder einen Pfeil wirft oder eine Bowlingkugel eine Gasse hinunter schleudert.

Wenn der Felsbrocken von einer Klippe abrollt oder der Badewannenstopfen entfernt wird und Wasser den Abfluss hinunterstürzt, gewinnen diese Objekte oder Quellen kinetische Energie.

Wenn sie kinetische Energie sammeln, verlieren sie potentielle Energie, und zusammen erzeugen die beiden die Kraft, Geschwindigkeit oder Kraft eines Objekts.

Alle anderen Energiearten können nur kinetische Energie oder potentielle Energie sein – eine auf einmal, aber niemals gleichzeitig. Daher ist mechanische Energie die einzige Energieform, die potentielle und kinetische Energie nutzen und zwischen beiden hin und her wechseln kann.

Wie erzeugt mechanische Energie Strom?

Mechanische Energie wird erzeugt, indem potentielle und kinetische Energie gewonnen und in Energie umgewandelt wird. Beispiele hierfür wären Dampf, Wasser, Wind, Gas oder flüssige Brennstoffe, die Turbinen antreiben.

Maschinen werden häufig verwendet, um andere Energieformen durch Umwandlung zu erzeugen, bevor sie als Strom verwendet werden. Sobald mechanische Energie auf eine bestimmte Weise verändert wird, können wir sie so verwenden, wie wir es wollen oder brauchen, um zu arbeiten.

Kann man mechanische Energie einsparen?

Sie können mechanische Energie sparen, was entscheidend ist, da Energie entweichen kann, wenn sie verwendet wird, und Energie während des Umwandlungsprozesses verschwendet werden kann.

Ein gewisser Energieverlust ist unvermeidlich, wenn nichtkonservative oder stoppende Kräfte oder Situationen auftreten, aber das Umleiten oder Einsparen von Energie kann dazu beitragen, maximale Effizienz zu erreichen.

Ineffiziente Energieumwandlungssysteme kosten mehr und können die Effizienz von Energiesystemen beeinträchtigen. Wenn beispielsweise Windenergie in mechanische Energie umgewandelt wird, um eine Windturbine zu drehen, der Umwandlungsprozess jedoch mehr als die Hälfte der geleiteten Energie verliert, ist das System langsam, zeitaufwendiger und Energieverschwendung.

Was ist Energieumwandlung?

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Energie umwandlung tritt in viele verschiedene möglichkeiten. Das US-Energieministerium gibt zum Beispiel den Betrieb eines Autos an.

Benzin, das vor dem Einschalten des Autos in einem Autotank sitzt, enthält chemische potentielle Energie. Wenn das Gas nach dem Start des Fahrzeugs verbrannt wird, wird es von chemischer Energie in thermische Energie, eine Form von Wärmeenergie, umgewandelt.

Die thermische Energie wird dann in mechanische Energie umgewandelt, wobei Kraft und Bewegung (kinetische Energie) verwendet werden, um das Fahrzeug zu bewegen.

Sobald sich ein Auto nicht mehr bewegen muss oder kurz anhält, werden Bremsen betätigt, die Reibung erzeugen, eine nichtkonservative Kraft.

Die mechanische, kinetische Energie wird wieder in einen thermischen Zustand umgewandelt und ist wieder Wärmeenergie.

Nach dem Gesetz der Erhaltung der mechanischen Energie ist die mechanische Energie konstant, wenn ein System isoliert ist oder nur mit konservativen Kräften interagiert.

Mit anderen Worten, das Auto behält seine mechanische Energie konstant bei, bis entweder das Benzin ausgeht und keine mechanische Energie mehr erzeugt wird oder es mit einer nichtkonservativen Kraft wie Reibung durch Bremsen oder einer Stange, einem anderen Fahrzeug oder einem Gebäude zusammenwirkt.

Wenn sich die Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objekts oder Materials ändert, ändert sich auch die kinetische Energie.

Wenn das Auto langsamer wird, aber weiterfährt und dann mit nur wenigen Stundenkilometern in ein anderes Fahrzeug kracht, wäre der Aufprall geringer, als wenn das Auto beschleunigt und ein anderes Fahrzeug trifft, wenn es so schnell fährt, wie das Auto fahren kann.

Je schneller sich ein Auto bewegt, desto mehr kinetische Energie erzeugt es und desto mehr Kraft übt es beim Aufprall aus.

Manchmal, wenn Objekte mit nichtkonservativen Kräften wie Reibung kollidieren, können sie auch Energie verlieren.

Die Menge an Energie, die bei einer Kollision verloren geht, hängt davon ab, welche Art von Kollision in diesem Fall aufgetreten ist.

Wenn die Kollision oder Interaktion elastisch ist, z. B. wenn sich ein schleichendes Spielzeug eine Treppe hinunterbewegt, bleibt die Energiemenge gleich und die Kraft des Objekts bleibt erhalten.

Wenn die Kollision unelastisch ist, wie der abgeflachte Teig einer Tortilla, der auf einer Bratpfanne landet, wird die Energie in Wärmeenergie umgewandelt und nicht konserviert.

Mechanische Energie ist überall

Die Energie der Bewegung ist mechanische Energie und kann in fast allem gesehen werden, was wir im Leben tun und erleben. Es ist ein Baseballspieler, der einen Schläger schwingt, um den Ball über das Feld zu schlagen. Es ist in einem Mixer, während es herumwirbelt, unsere Früchte, Grünkohl und Eis zu einem grünen Smoothie zerkleinert und verflüssigt. Es befindet sich in den Bremspedalen eines Fahrrads, da sie Reibung verwenden, um das Drehen der Räder zu stoppen.

Als in einem Objekt gespeicherte Energie kann sie schnell von potentieller Energie zu kinetischer Energie übergehen und sich dann möglicherweise in eine andere Art von Energie umwandeln, wenn das Gesetz der Erhaltung ins Spiel kommt. Mechanische Energie ist nicht so technisch, wie es klingt. Es ist ein Teil des täglichen Lebens.

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