Arbeit (Physik)
- Seiten mit defekten Dateilinks
- Physikalische Größe
Arbeit ist ein Begriff der Klassischen Mechanik. Zur Abgrenzung von anderen Definitionen von Arbeit spricht man hier auch von mechanischer Arbeit.
Arbeit (Formelzeichen
Arbeit ist mechanisch übertragene Energie – in diesem Zusammenhang spricht man auch von Energie als gespeicherter Arbeit bzw. Energie als der Fähigkeit, Arbeit zu verrichten.
Die SI-Einheit der Arbeit ist das Joule (Einheitenzeichen J). Aus dem Bezug der Arbeit zur Kraft (SI-Einheit Newton) und Leistung (SI-Einheit Watt) ergeben sich die abgeleiteten SI-Einheiten Newtonmeter (Nm) und Wattsekunde (Ws). Es gilt 1 J = 1 Nm = 1 Ws. Häufig werden auch die Einheiten Wattstunde (Wh) bzw. Kilowattstunde (kWh) verwendet.
Mit spezifischer Arbeit (Formelzeichen
Definition
In der Physik ist Arbeit das Skalarprodukt aus Kraft und Weg: Wenn auf einen Körper auf der geraden Strecke vom Punkt A zum Punkt B eine konstante Kraft
verrichtet. Dabei ist
Die Bedeutung des physikalischen Begriffs Arbeit beruht auf folgendem Sachverhalt: Beschleunigt die betrachtete Kraft die Bewegung des Körpers, so erhöht sich seine kinetische Energie auf dem Weg von A nach B um die an ihm verrichtete Arbeit.
Wirkt die konstante Kraft in Richtung des zurückgelegten Weges, dann ist die Arbeit das Produkt der Beträge
Ist die Richtung der Kraft der Bewegungsrichtung entgegengesetzt, dann bilden die beiden Vektoren einen Winkel von 180°, dessen Kosinus der Wert -1 ist. In diesem Fall wird an dem Körper eine negative Arbeit verrichtet, die Kraft wirkt als Bremskraft.
Ist die Richtung der Kraft senkrecht zum Weg, dann wird keine physikalische Arbeit verrichtet. Der physikalische Begriff entspricht also nicht dem alltäglichen Verständnis, nach dem jeder Kofferträger für seine verrichtete Arbeit bezahlt wird.
Wenn die Kraft nicht entlang des gesamten Weges konstant ist oder der Weg nicht gerade ist, so kann man die Arbeit näherungsweise berechnen, indem man den Weg durch einen Streckenzug aus N geraden Teilstücken
Um den genauen Wert zu erhalten, wählt man die Wegstücke immer kleiner, so dass ihre Länge gegen Null und ihre Anzahl gegen unendlich geht. Der Grenzwert der Summe ist das Weg- oder Kurvenintegral
wobei
In einem konservativen Kraftfeld ist die so berechnete Arbeit vom Weg unabhängig und hängt nur vom Anfangs- und Endpunkt ab. Daher ist die Arbeit entlang eines geschlossenen Weges (Anfangspunkt gleich Endpunkt) in einem konservativen Kraftfeld gleich Null.
Beispiele
- Hubarbeit: Arbeit, die an einem ruhenden Körper der Masse
verrichtet werden muss, um ihn im homogenen Schwerefeld mit Gravitationsbeschleunigung um die Hubhöhe zu heben
- Die Hubarbeit ist der Unterschied der potentiellen Energie an Ziel und Start.
- Beispiel:
- Spannarbeit
- Siehe auch: Federarbeit
- wobei
die Federkonstante und die Federkraft ist. Gegen diese Kraft muss Arbeit am angehängten Pendelkörper verrichtet werden, um ihn von Auslenkung zur Auslenkung (von anfänglicher Ruhe zu schließlicher Ruhe) zu bewegen. Das Koordinatensystem ist so gewählt, dass in der Ruhelage gilt. - Die Spannarbeit zählt wie die Volumenarbeit zu Arbeit, die bei Verformungen verrichtet werden muss.
- Beschleunigungsarbeit, siehe etwa Schwungradspeicherung
- elektrische Arbeit
Siehe auch
- Potential (Physik)
Literatur
- Bärbel Grimm u. A.: Das neue Tafelwerk - Sekundarstufe. Volk und Wissenverlag, 1995, ISBN 3-06-000726-8
- Christian Gerthsen, Dieter Meschede, Helmut Vogel (Herausgeber bis zur 20. Auflage): Physik, 23. Auflage, Springer Verlag, Berlin 2006, ISBN 3-540-25421-8, E-Book 9783540299738