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Alexander Fufaev

Was ist Arbeit in der Physik?

aus dem Bereich: Theorien
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Definition

Arbeit - ist ein Prozess, bei dem Energie übertragen oder umgewandelt wird und zwar durch Einwirkung einer Kraft F entlang einer Verschiebung Δs.

Verrichtete Arbeit in Vektorschreibweise: \[ W ~=~ \vec{F} ~\cdot~ \vec{s} \] und Betrag der Arbeit:
\[ W ~=~ F \, \Delta s \, \cos(\alpha) \]

Ausübung der Schwerkraft durch konservatives Kraftfeld der Erde, hat zur Folge, dass sich das Objekt in Richtung des Erdmittelpunktes beschleunigt wird.

Betrachte irgendein Intervall Δs zweier Orte, z.B. die Strecke zwischen s1 und s1, die mittels der Krafteinwirkung von einem Objekt zurückgelegt wurde. Dann ist die Verrichtete Arbeit entlang der Kraft: W = FΔs

Arbeit im physikalischen Sinne - ist eine skalare Größe. Du multiplizierst hier zwei Vektoren, zwei gerichtete Größen miteinander; nämlich den Kraftvektor mit dem Ortsvektor, und das ergibt eine reine Zahl, einen sogenannten Skalar.

Das Skalarprodukt berücksichtigt nur die Kraftkomponente, die in Richtung des Weges zeigt. Um also die Arbeit im physikalischen Sinne verrichten zu können, muss die Kraft parallel zum Weg oder eben unter einem bestimmten Winkel wirken, aber nicht rechtwinklig; denn das Skalarprodukt zweier senkrechter Vektoren ist Null und somit auch die Arbeit.

Bei 0 Grad ist die Arbeit maximal. Bei 89,9...Grad ist die Arbeit minimal. Ist der Winkel genau 90 Grad, dann wird im physikalischen Sinne keine Arbeit verrichtet!

Beispiel: Wann keine Arbeit verrichtet wird... Wenn Du einen Koffer anhebst, dann verrichtest Du eine Arbeit am Koffer, in dem Du dem eine potentielle Energie (Höhenenergie) mittels Deiner Muskelkraft zuführst. Wenn Du dann aber mit dem angehobenen Koffer stehen bleibst oder mit dem anfängst zu gehen, dann verrichtest Du im physikalischen Sinne keine Arbeit, denn Deine Gehrichtung \( \vec{s} \) ist senkrecht zur Kraft \( \vec{F} \), die Du zum Anheben des Koffers aufwendest. Wenn zwei Vektoren senkrecht aufeinander stehen, dann verschwindet deren Skalarprodukt: \[ W ~=~ \vec{F} ~\cdot~ \vec{s} ~=~ 0 \]

Ist Arbeit positiv oder negativ?

Arbeit kann positiv oder negativ sein, je nach Vorzeichen in der Formel. Und das ist ganz praktisch, denn damit kannst Du sofort sehen, ob am System oder vom System Arbeit verrichtet wird. Wenn Du dem System Energie zuführst, dann ist das Vorzeichen der Arbeit positiv. Wenn das System selbst Arbeit verrichtet, dann ist das Vorzeichen der Arbeit negativ.

Das Schwerefeld der Erde zum Beispiel, übt eine Kraft auf ein massereiches Objekt aus; führt ihm also Energie zu.

Zusammengefasst lässt sich sagen: Arbeit, die einem System zugeführt oder vom System abgeführt wird, wird als Energie abgespeichert. Je mehr Energie das System besitzt, desto mehr Arbeit kann es verrichten. Arbeit ist ein Prozess. Energie ist ein Zustand

Die Einheit der Arbeit - ist Joule.

Wie viel ist ein Joule?Ein Joule ist die Energiemenge, die benötigt wird, um eine Sekunde lang, eine Leistung von einem Watt zu erbringen. Eine gewöhnliche Glühlampe besitzt zum Vergleich 100 Watt Leistung. Du bräuchst also 100 Joule, um die Glühlampe eine Sekunde leuchten zu lassen.
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