Hubarbeit

Mechanische Arbeit in der Physik

In der Physik ist die mechanische Arbeit eine wichtige Größe, die bei vielen Berechnungen und Versuchen zum Einsatz kommt. Die mechanische Arbeit beschreibt die Energie, die von einem Körper auf einen anderen Körper übertragen wird. Über einen bestimmten Weg wirkt dabei eine Kraft auf den Körper ein, an dem die Arbeit verrichtet wird. International wird die mechanische Arbeit mit dem Begriff Work bezeichnet, die Abkürzung für die Arbeit ist daher das W. Weil es sich bei mechanischer Arbeit um eine Form der Energie handelt, wird sie in der Einheit Joule angegeben. Alternative Bezeichnungen sind Newtonmeter oder Wattsekunde, die in Kilowattstunden umgerechnet werden kann. Allgemein wird die mechanische Arbeit als Produkt aus der wirkenden Kraft und dem zurückgelegten Weg berechnet, die Richtungen von Kraftwirkung und Wegstrecke spielen dabei eine wichtige Rolle. Bekannte Beispiele für mechanische Arbeit sind die Beschleunigungsarbeit, bei der ein Körper aus der Ruhe auf eine bestimmte Geschwindigkeit gebracht wird, die Reibungsarbeit, die sich aus der Reibung eines Körpers auf einem bestimmten Weg ergibt, sowie die Spannarbeit, bei der eine ungespannte Feder auf eine bestimmte Strecke gedehnt wird.

Hubarbeit: Ein Körper wird angehoben

Eine weitere Unterform der mechanischen Arbeit ist die Hubarbeit. Sie wird immer dann an einem Körper verrichtet, wenn dieser angehoben wird. Die Höhe, auf die der Körper befördert wird, entspricht der zurückgelegten Strecke. Die aufgewendete Kraft setzt sich aus der Masse des Körpers und der Gravitationsbeschleunigung zusammen, die in der Nähe der Erdoberfläche konstant ist. Folglich entspricht die verrichtete Hubarbeit dem Produkt aus Masse, Gravitationsbeschleunigung und Höhe. Jeder Berechnung liegt die Annahme zugrunde, dass der Körper sich ausschließlich nach oben bewegt, die Höhe also immer senkrecht zur Erde steht. Eine Bewegung zu den Seiten wird ausgeschlossen.

Hubarbeit als Differenz der potentiellen Energien

Hubarbeit kann jedoch nicht nur als Produkt aus Masse, Gravitationsbeschleunigung und Höhe angesehen werden. Jeder Körper besitzt zusätzlich eine potentielle Energie, die auch als Lageenergie bezeichnet wird. Sie beschreibt die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Lage in einem Kraftfeld oder seiner inneren Konfiguration besitzt. Weil auf den Körper eine Kraft einwirkt, während er angehoben wird, befindet er sich in einem Kraftfeld. Folglich ist seine potentielle Energie vor dem Anheben anders als seine potentielle Energie nach dem Verrichten der Hubarbeit. Die Differenz dieser beiden Energien liefert ebenfalls Aufschluss über ihre Größe.

Weil die mechanische Arbeit und somit auch die Hubarbeit eine Energie ist, gilt für sie der Energieerhaltungssatz. Während die Hubarbeit verrichtet wird, geht die Energie nicht verloren, sondern wird lediglich in andere Energieformen umgewandelt. Die Hubarbeit kann dabei in potentielle Energie umgewandelt werden, wenn der Körper angehoben wird und in seiner neuen Lage verharrt. Auch eine Umwandlung der Hubarbeit in kinetische Energie ist möglich, sie beschreibt die Energie jeder Bewegung.

Anwendungsbeispiele: In welchen Branchen ist Hubarbeit relevant?

Die Berechnung mit mathematischen Formeln ist ein wichtiger Bestandteil der Schulbildung im Fach Physik. Sie gehört zum Fachbereich der Mechanik und findet auch in wissenschaftlichen Studiengängen Anwendung. Im Arbeitsalltag ist die Berechnung der Hubarbeit in allen Branchen wichtig, in denen eine Last unter Kraftaufwand angehoben werden muss. Ein typisches Beispiel hierfür ist ein Kran auf einer Baustelle, der Lasten vom Boden anhebt und in beliebige Höhen befördert, er verrichtet Hubarbeit an diesen Lasten. Um die maximal zu hebende Last zu kennen, ist die ihre Berechnung wichtig.

Wenn der Kraftaufwand minimiert werden soll, können sogenannte Kraftwandler zum Einsatz kommen. Ein bekannter Kraftwandler, den schon Kinder nutzen, ist der Flaschenzug. Weil bei der Ermittlung der Hubarbeit der Energieerhaltungssatz gilt, kommt die goldene Regel der Mechanik zum Einsatz: Die vom Körper zurückzulegende Strecke muss ansteigen, während der Kraftaufwand sinkt.