Energieformen und Energieerhaltung

Ein Skater rollt die Halfpipe hinunter, wird schneller, rollt auf der anderen Seite wieder hoch und wird langsamer. Dabei wandelt sich ständig Lageenergie in Bewegungsenergie um und zurück. Die Summe bleibt gleich – das ist der Energieerhaltungssatz.

Die wichtigsten Energieformen

Energieformsteckt in …Formel
Lageenergie (potentielle Energie)gehobenen Körpern: Wasser im Stausee, Apfel am BaumEpot = m · g · h
Bewegungsenergie (kinetische Energie)bewegten Körpern: fahrendes Auto, WindEkin = ½ · m · v²
Spannenergiegespannten Federn, Bogen, GummiE = ½ · D · s²
Thermische Energie (innere Energie)der Bewegung der Teilchen eines warmen KörpersΔE = c · m · ΔT
Elektrische EnergieStrom aus Steckdose oder BatterieE = U · I · t
Chemische EnergieNahrung, Benzin, Holz, Akku–
StrahlungsenergieLicht, Wärmestrahlung–
KernenergieAtomkernen (Sonne, Kernkraftwerk)–

Lageenergie und Bewegungsenergie berechnen

Epot = m · g · h     Ekin = ½ · m · v²

Die Lageenergie hängt davon ab, von welcher Höhe aus man misst – das Nullniveau darf man frei wählen, meist der Boden. Bei der Bewegungsenergie geht die Geschwindigkeit quadratisch ein: Doppelte Geschwindigkeit bedeutet vierfache Energie. Deshalb sind Unfälle bei hohem Tempo so viel gefährlicher.

Beispiel: Ball fällt vom Balkon

Ein Ball (0,5 kg) fällt aus 5 m Höhe. Oben: Epot = 0,5 kg · 9,81 m/s² · 5 m ≈ 24,5 J.
Unten ist diese Energie (ohne Luftwiderstand) vollständig Bewegungsenergie: ½ · 0,5 kg · v² = 24,5 J ⇒ v = √(2 · 24,5 J / 0,5 kg) ≈ 9,9 m/s.

Solche Rechnungen kannst Du mit dem Energie-Rechner nachprüfen.

Der Energieerhaltungssatz

Energieerhaltungssatz

Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Sie wird nur umgewandelt oder übertragen. In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie gleich.

Beim Pendel, beim Trampolin oder bei der Achterbahn kannst Du die Umwandlung gut verfolgen. Am höchsten Punkt ist die Lageenergie am größten und die Bewegungsenergie am kleinsten, am tiefsten Punkt umgekehrt.

Energieumwandlungsketten

Oft durchläuft Energie mehrere Stationen. Man stellt das als Kette dar:

Wasser im Stausee: Lageenergie→strömendes Wasser: Bewegungsenergie→Generator: elektrische Energie→Lampe: Licht + Wärme

Typischer Fehler

„Die Energie ist weg, wenn der Ball liegen bleibt.“ Sie ist nicht weg – sie wurde durch Reibung und Verformung in thermische Energie umgewandelt. Ball und Boden sind ein kleines bisschen wärmer geworden. Ein Perpetuum mobile, das ewig ohne Energiezufuhr läuft, kann es deshalb nicht geben.

Teste Dich selbst

1. Wie ändert sich die Bewegungsenergie, wenn ein Auto statt 30 km/h nun 60 km/h fährt?
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Richtig: Sie vervierfacht sich. Ekin ~ v². Doppelte Geschwindigkeit → 2² = vierfache Energie.

2. Welche Energieumwandlung findet in einem Fahrraddynamo statt?
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Richtig: Bewegung → elektrisch. Der Dynamo ist ein Generator: Er wandelt die Bewegungsenergie des Rades in elektrische Energie um.

3. Ein Körper mit 2 kg wird 3 m hoch gehoben. Wie groß ist seine Lageenergie (g ≈ 10 N/kg)?
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Richtig: 60 J. Epot = 2 kg · 10 N/kg · 3 m = 60 J (genau: 58,9 J mit 9,81 N/kg).

4. Ein Pendel schwingt immer kleiner aus. Was passiert mit der Energie?
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Richtig: Sie wird durch Reibung in thermische Energie umgewandelt. Luftwiderstand und Reibung im Aufhängepunkt wandeln mechanische Energie in Wärme um. Die Gesamtenergie bleibt erhalten.

Weiterlesen: Energieerhaltungssatz bei Wikipedia