Mechanische Arbeit

Was ist mechanische Arbeit

Mechanische Arbeit tritt immer dann auf, wenn auf einen Körper eine bestimmte Kraft „F“ wirkt. Genauer gesagt, wenn ein Körper durch eine äußere Kraft bewegt oder verformt wird. Wird ein Körper von Ort A nach Ort B getragen, wird mechanische Arbeit verrichtet. Das heißt, es wird eine Kraft aufgewendet, um das Objekt über eine gewisse Wegstrecke zu bewegen. In der Physik wird die mechanische Arbeit mit dem Formelzeichen „W“ ausgedrückt, dies steht für den englischen Begriff „work“. Es ist das Produkt aus aufgewendeter Kraft und getätigter Wegstrecke. Maßeinheit für die mechanische Arbeit sind demnach Joule (J) oder Newtonmeter (Nm).

Arten mechanischer Arbeit

In der Mechanik – einem Teilgebiet der Physik – gibt es verschiedene Formen der mechanischen Arbeit:

a) Beschleunigungsarbeit: Bei der Beschleunigungsarbeit wird der Körper nicht gleichförmig bewegt, die Wegstrecke wird vielmehr mit einer immer schneller werdenden Geschwindigkeit zurückgelegt. Um die Beschleunigungsarbeit zu berechnen, braucht es zusätzlichen zwei Parameter: Masse „m“ und Geschwindigkeit „v“ bzw. Beschleunigung „a“.

b) Hubarbeit wird verrichtet, wenn ein Körper hochgehoben wird. Hier spielt somit nicht mehr die Wegstrecke eine Rolle, sondern die Höhe „h“ muss hier einkalkuliert werden. Die aufgewendete Kraft, um einen Körper anzuheben ist eine Gewichtskraft, bestehend aus Masse „m“ und Erdbeschleunigung „g“.

c) Reibungsarbeit: Bei der Reibungsarbeit wird die eigentliche Bewegung des Körpers, die bei der mechanischen Arbeit zurückgelegt wird, durch Reibung verhindert. Für die Berechnung braucht es zusätzlich zur aufgewendeten Kraft die Reibungszahl „µ“.

d) Spannarbeit wird auch Verformungsarbeit genannt und tritt dort auf, wo ein Körper verformt wird. Beispielsweise eine Feder, die gespannt wird. Unter der Wegstrecke „s“ versteht man bei der Spannarbeit den Ausdehnungsweg.

e) Volumenarbeit: Ist der Körper ein abgeschlossenes Gas, wird Volumenarbeit verrichtet, wenn unter Druck das Gasvolumen verändert wird. Die aufgewandte Kraft wird hier durch den Druck im Gefäß ersetzt, die Wegstrecke ist demnach die Volumenänderung des Gases.

Mechanische Arbeit und Energie – Wie hängt das zusammen?

Jede mechanische Arbeit, also jede Krafteinwirkung auf einen Körper und dessen Veränderung ist mit einer Veränderung der Energie „E“ verknüpft. Durch mechanische Energie ist jeder Körper in der Lage mechanische Arbeit zu verrichten, Wärme oder Licht abzugeben. Nach dem Energieerhaltungsgesetz der Mechanik bleibt die mechanische Energie erhalten und kann nur in einem offenen System in eine andere Energieform umgewandelt werden. Die Energie kann daher auch als gespeicherte Arbeit gesehen werden, die später aus der Energie wieder gewonnen werden kann. Das heißt: Energie kann in Arbeit umgewandelt werden bzw. setzt verrichtete Arbeit Energie frei. Dieses Gesetz ist Antriebsmotor unserer Stromgewinnung. Generatoren können beispielsweise an Flussläufen von Wasser angetrieben werden. Diese Generatoren wandeln die freigesetzte Energie der Wasserkraft in Elektrizität um. Und vice versa: Nachts sind Elektrizitätswerke nicht voll ausgelastet, daher wird die gespeicherte Energie meist dazu genutzt, Wasser durch elektrisch betriebene Pumpen in ein höher gelegenes Speicherbecken zu transportieren. Hierbei wird Hubarbeit verrichtet.

Die Leistung bestimmt unsere Arbeitswelt

Die mechanische Arbeit tritt überall dort auf, wo es Maschinen gibt, die den Arbeitsprozess erledigen. Ein Zug, der beschleunigt, um eine Wegstrecke schnellstmöglich zurückzulegen, eine Spannfeder in einem Antrieb oder ein Kran der Hubarbeit verrichtet. In der Arbeitswelt spielt die Berechnung der mechanischen Arbeit an sich eher eine sekundäre Rolle. Nützlich ist vielmehr die Berechnung der Leistung „P“, also die Zeitdauer „t“ zu betrachten, in der die Arbeit „W“ verrichtet wurde. Die Leistung bezeichnet in der Physik die Geschwindigkeit der Arbeit, die an einem Körper verrichtet wird, sie wird in Watt angegeben. Möchte man herausfinden, wie effizient ein Gerät, eine Maschine oder eine Fabrikanlage ist, braucht man das Wissen um die erbrachte Leistung und den Energieverbrauch, die bei der Arbeit aufgewandt wird.