Mechanische Arbeit und Leistung

Im Alltag ist „Arbeit“ alles, was anstrengt – auch Hausaufgaben. In der Physik ist Arbeit genauer definiert: Arbeit wird verrichtet, wenn eine Kraft einen Körper entlang eines Weges bewegt. Wer eine schwere Kiste nur festhält, verrichtet physikalisch keine Arbeit – auch wenn die Arme zittern.

Arbeit W = F · s

W = F · s Arbeit = Kraft in Wegrichtung mal Weg

Die Einheit der Arbeit ist das Joule: 1 J = 1 N · m. Wichtig ist, dass nur der Teil der Kraft zählt, der in Richtung des Weges zeigt. Trägst Du eine Tasche waagerecht über den Schulhof, wirkt Deine Haltekraft senkrecht nach oben – in Wegrichtung verrichtest Du (fast) keine Arbeit.

Arten mechanischer Arbeit

ArtFormelBeispielEnergie danach
HubarbeitW = m · g · hTreppe steigen, Kiste hebenLageenergie
BeschleunigungsarbeitW = ½ · m · v²Ball werfen, Auto anfahrenBewegungsenergie
SpannarbeitW = ½ · D · s²Bogen spannenSpannenergie
ReibungsarbeitW = FR · sSchrank verschiebenthermische Energie

Beispiel: Treppe steigen

Jonas (50 kg) steigt in den 3. Stock, 9 m hoch.
W = 50 kg · 9,81 m/s² · 9 m ≈ 4400 J = 4,4 kJ.

Leistung P = W / t

Ob Jonas die Treppe hochrennt oder hochschleicht – die Arbeit ist dieselbe. Unterschiedlich ist, wie schnell er sie verrichtet. Das beschreibt die Leistung:

P = W / t Leistung = Arbeit (oder Energie) pro Zeit

Die Einheit ist das Watt: 1 W = 1 J/s. Ältere Angaben bei Autos nutzen noch die Pferdestärke: 1 PS ≈ 735 W.

Beispiel (Fortsetzung)

Rennt Jonas in 10 s hoch: P = 4400 J / 10 s = 440 W. Braucht er 40 s: P = 110 W.

Leistungungefähr
LED-Lampe8 W
Mensch, Dauerleistung beim Radfahren100–200 W
Spitzensportler, kurzer Sprintüber 1500 W
Wasserkocher2000 W
Kleinwagen55 kW (75 PS)
Windrad an Land3–5 MW

Typischer Fehler

Leistung und Energie verwechseln. Ein Gerät mit großer Leistung verbraucht nicht automatisch viel Energie – es kommt auch darauf an, wie lange es läuft: E = P · t. Ein Föhn mit 2000 W, der 3 Minuten läuft, braucht weniger als ein Router mit 10 W, der den ganzen Monat an ist. Mehr dazu unter Elektrische Leistung und Stromkosten.

Teste Dich selbst

1. In welchem Fall wird physikalisch Arbeit verrichtet?
Lösung anzeigen

Richtig: Ein Rucksack wird vom Boden auf den Tisch gehoben. Nur beim Heben wirkt die Kraft entlang eines Weges. Halten oder Drücken gegen eine Wand ist anstrengend, aber ohne Weg.

2. Ein Kran hebt 500 kg in 20 s um 12 m. Welche Leistung ist mindestens nötig (g ≈ 10 N/kg)?
Lösung anzeigen

Richtig: 3000 W. W = 500 kg · 10 N/kg · 12 m = 60 000 J; P = 60 000 J / 20 s = 3000 W = 3 kW.

3. Was ist 1 Watt?
Lösung anzeigen

Richtig: 1 Joule pro Sekunde. Leistung ist Energie pro Zeit: 1 W = 1 J/s.

Weiterlesen: Arbeit (Physik), Leistung (Physik) bei Wikipedia