Mechanische Energie

Sieht aus wie eine Schaukel. Ist es auch. Aber nicht nur. Sondern auch ein physikalisches Experiment. Wenn die Schaukel in dieser Position ist, wird sie mit Energie aufgeladen.

Da sie so weit oben positioniert ist, kann sie nach unten schwingen, ohne dass wir Energie hinzufügen müssen. Wir haben eine Möglichkeit, ein Potential, diese Energie freizusetzen. Nennen wir sie also potentielle Energie. Wir lassen die Schaukel los und setzen die potentielle Energie frei. Halt mal an!

Die Schaukel hat nun in ihrer tiefsten Position überhaupt keine potentielle Energie mehr. Aber sie bewegt sich, deshalb hat sie eine andere Energieform: Bewegungsenergie. Oder mit einem Fachbegriff gesagt: Kinetische Energie. Gut, Film weiter abspielen bitte. Genau hier anhalten!

Die kinetische Energie schob die Schaukel nach vorn und oben, gegen die Schwerkraft. Welche Energieform besitzt die Schaukel nun? Potentielle Energie! Die Energie in der Schaukel wechselt zwischen Potentieller und Kinetischer hin und her. Auf ihrem Höhepunkt hat sie nur potentielle Energie.

Und auf ihrem Tiefpunkt nur kinetische Energie. Schau dir das Diagramm an. Wenn die potentielle Energie am stärksten ist, ist die kinetische Energie am geringsten. Und umgekehrt. Die Gesamtenergie der Schaukel – die erhältst du, wenn du die potentielle und kinetische Energie addierst – ist konstant.

Sie bleibt erhalten. Man bezeichnet dies als mechanische Energie. Mechanische Energie ist gleich potentielle Energie plus kinetische Energie. Und die mechanische Energie bleibt erhalten. Oder, na ja...

Sie bleibt nicht völlig erhalten. Wenn die Schaukel hin- und herschwingt, verlangsamen Reibung und Luftwiderstand sie ein wenig. Dann wird ein Teil der kinetischen Energie in Wärme umgewandelt. Deshalb hält die Schaukel nach einer Weile an. Sofern du sie nicht anschiebst, natürlich.

Das würde sie mit neuer kinetischer Energie auffüllen. Wir können also folgendes sagen: Mechanische Energie bleibt in einem System erhalten – außer, dass sie durch Reibung reduziert und durch äußere Kräfte verändert werden kann. Hier ist eine Achterbahn. Oder wie wir sie nennen: Ein verdammt gutes Beispiel für erhaltene mechanische Energie. Zuerst ziehen wir die Wagen bis zu einer Bergspitze hoch.

Sie sind nun komplett mit potentieller Energie aufgeladen. Dann lassen wir die Wagen gehen, und die Schwerkraft tut ihr Übriges. Kinetisch - potentiell – kinetisch – potentiell. Kinetisch – potentiell – kinetisch. Eine Achterbahn hat nur wenig Reibung und Luftwiderstand, so dass die mechanische Energie nahezu konstant ist.

Hier ist ein weiteres Experiment. Eine Schleuder. Was, wenn Kim das Band genau jetzt loslässt? Oops. Auch das ist potentielle Energie.

Aber sie funktioniert ein wenig anders. Die potentielle Energie, die wir in der Schaukel und Achterbahn sahen, hing davon ab, wie hoch deren Position war. Es gab ein Potential, von der Schwerkraft runtergezogen zu werden. Deshalb nennen wir es potentielle Gravitationsenergie. Aber die potentielle Energie in der Schleuder hat nichts mit Schwerkraft zu tun.

Hier wird die Energie in einem gedehnten Gummiband gespeichert. Dies ist elastische potentielle Energie. Und auch diese kann in kinetische Energie umgewandelt werden. Aah! Potentielle Energie plus kinetische Energie ist gleich mechanische Energie.