Arbeit, Leistung und Wirkungsgrad — Physik, 14–17 Jahre
Diese Begriffe unterscheiden die übertragene Energiemenge, die Geschwindigkeit der Übertragung und den nützlichen Anteil. So werden Maschinen und menschliche Anstrengung messbar.
Drei nützliche Größen
Mechanische Arbeit ist übertragene Energie, wenn eine Kraft einen Körper bewegt: Arbeit = Kraft × Strecke in Kraftrichtung. Leistung gibt an, wie schnell diese Arbeit verrichtet wird: Leistung = Arbeit ÷ Zeit. Der Wirkungsgrad vergleicht den nützlichen Output mit dem gesamten Input, meist als Prozentzahl.
Warum diese Größen entstanden
Eine schwere und eine leichte Kiste zu heben kann unterschiedlich viel Energie erfordern, doch zwei Maschinen können dieselbe Arbeit mit sehr verschiedener Geschwindigkeit verrichten. Ingenieure brauchten Begriffe für Arbeit, Tempo und Verluste. Arbeit, Leistung und Wirkungsgrad beantworten diese drei praktischen Fragen.
Durchgerechnetes Beispiel
Ein Kran hebt eine Last von 50 kg in 10 s um 4 m an. Mit g = 10 N/kg beträgt die Hubkraft 50 × 10 = 500 N. Die Arbeit ist 500 × 4 = 2 000 J. Die Leistung ist 2 000 ÷ 10 = 200 W. Bei einem Verbrauch von 2 500 J beträgt der Wirkungsgrad 2 000 ÷ 2 500 × 100 = 80 %.
Der häufige Fehler
Ein häufiger Fehler ist die Annahme, eine größere Kraft bedeute immer mehr Arbeit. Das wirkt logisch, weil stärkeres Drücken nach größerer Anstrengung aussieht. Bewegt sich der Körper aber nicht oder steht die Kraft quer zur Bewegung, überträgt sie keine mechanische Arbeit; Richtung und Strecke zählen.
Wo es verwendet wird
Die Leistung eines Wasserkochers zeigt, wie schnell er Wasser erhitzen kann; sein Wirkungsgrad vergleicht die nützliche Erwärmung mit der elektrischen Aufnahme. Auch Motoren, Aufzüge und Solarmodule werden nach Leistung und Wirkungsgrad beurteilt. Sportler beschreiben mit Leistung, wie schnell sie beim Sprinten oder Springen Energie übertragen.
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