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Grundwissen

Energieformen

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Energie kann in unterschiedlichen Formen vorliegen.
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Der Begriff "Energie" oder von ihm abgeleitete Begriffe kommen in unserer Sprache sehr häufig vor und weisen schon auf die große Bedeutung dieses Begriffes hin. Hier nur einige Beispiele:

Heizenergie, Energiekrise, Energiereservoir, kriminelle Energie, Energiesparen, Kernenergie, energiegeladen, Energiequelle, Energieverlust, Energieriegel. . . .

Der griechische Ursprung des Wortes "Energie" ist "energeia" und bedeutet soviel wie "wirkende Kraft" oder "das Treibende". Bei nahezu allen Vorgängen, welche in unserer Umwelt oder in der Technik ablaufen ist Energie im Spiel. In diesem Abschnitt soll es darum gehen, dich mit diesem Begriff vertraut zu machen. Dabei sind wir in einer ähnlichen Lage, als in der 7. Klasse der Kraftbegriff eingeführt wurde: Wir konnten nicht genau sagen, was Kraft ist, aber wir konnten die Wirkungen einer Kraft beschreiben. Der berühmte Nobelpreisträger R. Feynman sagt: "It is important to realize that in physics today, we have no knowledge of what energy is . . ." (es ist wichtig zu realisieren, dass wir in der heutigen Physik nicht wissen, was Energie ist . . . . ).

Energie ist notwendig, dass Vorgänge überhaupt ablaufen. Man könnte Energie als "Treibstoff" für den jeden Ablauf bezeichnen, wobei Energie nicht mit dem Benzin im Tank eines Autos verwechselt werden darf. Hier einige Beispiele, was Energie alles bewirken kann:

Abb. 1 Wirkungen von Energie
"Energie bewegt unsere Autos" "Energie brät ein Huhn" "Energie betreibt einen Fernsehapparat" "Energie kühlt unser Gefriergut" Energie hält uns am Leben

Damit wir in den weiteren Abschnitten untersuchen können, ob ein Körper oder ein System Energie besitzt, treffen wir die folgende Verabredung:

Wann besitzt ein Körper oder ein System Energie?

Ein Körper oder ein System besitzt Energie, wenn es direkt oder indirekt in der Lage ist, einen anderen Körper oder sich selbst

  • zu verformen oder
  • zu erwärmen

Wie die obigen Beispiele zeigen, kann Energie in verschiedenen Formen auftreten. In der Mechanik beschäftigen wir uns mit den folgenden Energieformen.

Kinetische Energie (Bewegungsenergie)

Geschwindigkeit v
Masse m
Eindringtiefe e
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Abb. 2 Ein Körper mit kinetischer Energie (Bewegungsenergie) treibt einen Nagel in einen Schaumstoffklotz

In der Animation in Abb. 2 siehst du einen Körper (violett), der sich nach rechts bewegt. Wenn du die Animation startest, bewegt sich der Körper weiter nach rechts und trifft dort auf einen Nagel (blau), der in einem Schaumstoffblock (gelb) steckt. Durch den Aufprall des Körpers dringt der Nagel tiefer in den Schaumstoffblock ein, der dadurch (weiter) verformt wird.

Nach unserer Verabredung besitzt der Körper also Energie, und zwar allein weil er sich bewegt. Wir sprechen in diesem Fall von Bewegungsenergie oder dem Fachbegriff kinetischer Energie.

Kinetische Energie (Bewegungsenergie)

Wenn sich ein Körper bewegt, dann besitzt er Energie.

Energie in dieser Form bezeichnen wir als kinetische Energie oder Bewegungsenergie.

Potentielle Energie (Lageenergie)

Höhe h
Masse m
Ortsfaktor g
Eindringtiefe e
HTML5-Canvas nicht unterstützt!
Abb. 3 Ein Körper (genauer das System "Erde-Körper") mit potentieller Energie (Lageenergie) treibt einen Nagel in einen Schaumstoffklotz

In der Animation in Abb. 3 siehst du einen Körper (violett), der sich oberhalb des Erdbodens (grün)  befindet. Wenn du die Animation startest, fällt der Körper in Richtung Erdboden und trifft dort auf einen Nagel (blau), der in einem Schaumstoffblock (gelb) steckt. Durch den Aufprall des Körpers dringt der Nagel tiefer in den Schaumstoffblock ein, der dadurch (weiter) verformt wird.

Nach unserer Verabredung liegt hier also Energie vor, und zwar allein weil sich der Körper oberhalb des Erdbodens befindet. Wir sprechen in diesem Fall von Lageenergie oder dem Fachbegriff potentieller Energie.

Potentielle Energie (Lageenergie)

Wenn sich ein Körper oberhalb des Erdbodens befindet, dann ist Energie vorhanden.

Energie in dieser Form bezeichnen wir als potentielle Energie oder Lageenergie.

Spannenergie

Auslenkung s
Federkonstante D
Eindringtiefe e
HTML5-Canvas nicht unterstützt!
Abb. 4 Eine Feder mit Spannenergie setzt eine Kugel in Bewegung und treibt so einen Nagel in einen Schaumstoffklotz

In der Animation in Abb. 4 siehst du eine Feder (schwarz), die zusammengedrückt ("gespannt") ist. Wenn du die Animation startest, entspannt sich die Feder und beschleunigt einen Körper nach rechts. Dieser Körper trifft auf einen Nagel (blau), der in einem Schaumstoffblock (gelb) steckt. Durch den Aufprall des Körpers dringt der Nagel tiefer in den Schaumstoffblock ein, der dadurch (weiter) verformt wird.

Nach unserer Verabredung besitzt die Feder (oder allgemein jeder elastische Körper, der verformt ist) also Energie, und zwar allein weil sie gespannt (bzw. verformt) ist. Wir sprechen in diesem Fall von Spannenergie.

Spannenergie

Wenn eine Feder gespannt (oder allgemein ein elastischer Körper verformt) ist, dann besitzt die Feder (bzw. der Körper) Energie.

Energie in dieser Form bezeichnen wir als Spannenergie.

In der folgenden Grafik werden verschiedene Energieformen aus unterschiedlichen Teilgebieten der Physik aufgelistet und jeweils Beispiele angedeutet, wo sie eine Rolle spielen.

Hinweis: Prof. Harald Lesch beschäftigt sich in der Sendereihe alpha-centauri des bayerischen Rundfunks in einem sehr interessanten Video mit der Frage: "Was ist Energie?".

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