Mechanische Arbeit

Puh, das war anstrengend! Findest du? Was soll ich dann erst sagen? Ich nehme jedes Mal zwei Ballen. Viel mehr Arbeit!

Okay, aber ich hebe doppelt so hoch. Insgesamt hab' ich wohl mehr als du gearbeitet. Quatsch! Arbeit ist ein Begriff, den wir im Alltag nutzen und der viele verschiedene Bedeutung hat. Es gibt viele Möglichkeiten, Arbeit zu leisten: Ein Polizist, der einen Verbrecher in seinem Versteck beschattet.

Ein Vertreter, der einen Kunden anruft. Ein Arzt, der Notizen in einer Krankenakte macht. Doch wenn wir in der Physik über Arbeit sprechen, hat dies eine eigene Bedeutung. Marias und Linas Denkweise im Streit darüber, wer mehr gearbeitet hat, ist schon ziemlich dicht am physikalischen Begriff 'Arbeit'. Helfen wir ihnen, den Streit zu klären.

Um Arbeit zu leisten, müssen wir eine Kraft aufwenden, mit der wir dann ein Objekt bewegen. Maria und Lina heben die Strohballen mithilfe von Muskelkraft. Und weil diese Kraft größer als die Schwerkraft ist, bewegen sich die Ballen nach oben. Kraft, die einen Körper bewegt. Maria und Lina verrichten Arbeit im physikalischem Sinne.

Aber wer leistet mehr Arbeit? Arbeit wird so berechnet: Wir multiplizieren die Kraft mit dem zurückgelegten Weg des Objekts. Arbeit ist gleich Kraft... ...mal Wegstrecke. Wir schreiben es so: W gleich F mal S. Arbeit ist gleich Kraft mal Weg.

Kraft, das ist die Masse des Strohballens mal Erdanziehungskraft. 15 Kilogramm mal 9,8 Newton pro Kilo. Das macht circa 150. Die benötigte Kraft, um einen Strohballen zu heben, liegt bei 150 Newton. Maria hebt mit einer Kraft von 150 Newton.

Und Lina hebt mit einer doppelt so großen Kraft: 300 Newton. Nun zur Wegstrecke: Lina hob ihre Last von 300 Newton drei Meter hoch. Maria hob ihre Last von 150 Newton sechs Meter hoch. Linas Arbeit von 300 Newton mal drei Meter ergibt 900 Newtonmeter. Marias Arbeit von 150 Newton mal sechs Meter ergibt auch 900 Newtonmeter.

Und ein Newtonmeter ist das Gleiche wie ein Joule. Für jedes Anheben benötigen beide die gleiche Arbeitsleistung. So viel Arbeit, dass sie nun eine Pause brauchen. Lina hält ein Tablett einen Meter über dem Boden, ohne sich zu bewegen. Es ist ziemlich schwer.

Aber leistet sie hier Arbeit? Beim Heben kämpft Lina gegen die Schwerkraft, so dass sie eine nach oben wirkende Kraft auf das Tablett ausübt. Aber das Tablett bewegt sich nicht nach oben. Also leistet Lina keine physikalische Arbeit. Und jetzt?

Welche Kraft übt Lina nun auf das Tablett aus? Wenn Lina im gleichmäßigen Tempo läuft, braucht sie fast keine Kraft, um das Tablett zu bewegen. Die Tragkraft ist nach oben gerichtet. Und Arbeit wird nur durch eine Kraft geleistet, die ein Objekt bewegt. Doch die nach oben gerichtete Kraft bewegt das Tablett nicht.

Die nötige Kraft, um das Tablett zu bewegen, liegt – sobald es an Geschwindigkeit gewonnen hat – fast bei Null. (Der Luftwiderstand ist so gering, dass wir ihn nicht beachten müssen.) Deshalb wird bei konstantem Tempo und gleicher Höhe keine Arbeit am Tablett geleistet. Und jetzt: Ist dies physikalische Arbeit? Ja, zum Schieben der Bank durch den Kies braucht man Kraft, um die Reibungskraft zu überwinden. Marias Kraft wirkt auf die Bank ein, dadurch bewegt sich die Bank in die Richtung der Kraft. Angenommen,eine Kraft von 200 Newton wird benötigt, um die Bank zu bewegen, und Maria schob sie zwei Meter.

Dann hat sie eine Arbeit von 200 mal zwei – also 400 Newtonmeter oder 400 Joule – geleistet. Arbeit wird in Joule gemessen – genau wie Energie. Eigentlich ganz logisch: Arbeit ist Energie, die durch eine Kraft erzeugt wurde... Und Energie braucht man, um Arbeit zu leisten. Verwirrt?

Keine Sorge! Selbst wenn du den Mathematik-Teil gemeistert hast, ist es schwer, wirklich zu verstehen, was Energie und Arbeit genau ist.