Direkt zum Inhalt

Aufgabe

Unterscheidung von Arbeit und Drehmoment

Schwierigkeitsgrad: mittelschwere Aufgabe

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Drehen eines Schraubenschlüssels

Die physikalischen Größen Drehmoment und Arbeit sind etwas ganz Verschiedenes, obwohl man beide in der Einheit Newtonmeter \(\rm{Nm}\) angibt.

a)

Erläutere den Unterschied zwischen den beiden Größen.

b)

In Abb. 1 übt die Kraft ein Drehmoment aus, beim Drehen des Schraubenschlüssels wird Arbeit verreichtet.

Berechne den Betrag des Drehmomentes, das ausgeübt wird.

Berechne die Arbeit, die beim Drehen verrichtet wird.

Lösung einblendenLösung verstecken Lösung einblendenLösung verstecken
a)

Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass das Drehmoment ein Vektor und die Arbeit ein Skalar ist.

Zur Bestimmung eines Drehmoments \({\vec M}\) benötigt man den Hebelarm \(\vec a\) und die Kraft \(\vec F\) als Vektoren. Das Drehmoment \({\vec M}\) bestimmt sich dann als Vektor- oder Kreuzprodukt der beiden Vektoren \(\vec a\) und \(\vec F\)\[\vec M = \vec a \times \vec F\]Der Betrag \(\left| {\vec M} \right|\) ist damit\[\left| {\vec M} \right| = \left| {\vec a} \right| \cdot \left| {\vec F} \right| \cdot \sin \left( {\angle \left( {\vec a;\vec F} \right)} \right)\]Somit wirken beim Drehmoment nur die Beiträge von Hebelarm und Kraft, die senkrecht aufeinander stehen.

Zur Bestimmung einer Arbeit \({W}\) benötigt man den Weg \(\vec s\) und die Kraft \(\vec F\) ebenfalls als Vektoren. Die Arbeit \({W}\) bestimmt sich dann aber als Skalarprodukt der beiden Vektoren \(\vec s\) und \(\vec F\)\[W = \vec s \cdot \vec F\]Die Arbeit \(W\) ist damit\[W = \left| {\vec s} \right| \cdot \left| {\vec F} \right| \cdot \cos \left( {\angle \left( {\vec s;\vec F} \right)} \right)\]Somit wirken bei der Arbeit nur die Beiträge von Weg und Kraft, die parallel zueinander liegen.

b)

Für den Betrag des Drehmomentes \({\vec M}\) gilt\[\left| {\vec M} \right| = \left| {\vec F} \right| \cdot \left| {\vec a} \right| \cdot \sin \left( {90^\circ } \right) = 80\,{\rm{N}} \cdot 0{,}25\,{\rm{m}} \cdot 1 = 20\,{\rm{Nm}}\]Für die Arbeit \(W\) gilt\[W = \left| {\vec F} \right| \cdot \left| {\vec s} \right| \cdot \cos \left( {0^\circ } \right) = 80\,{\rm{N}} \cdot 0{,}09\,{\rm{m}} \cdot 1 = 7{,}2\,{\rm{Nm}} = 7{,}2\,{\rm{J}}\]

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Mechanik

Arbeit, Energie und Leistung