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Aufgabe

Spannenergie - Formelumstellung

Schwierigkeitsgrad: leichte Aufgabe

Um Aufgaben zur Spannenergie zu lösen musst du häufig die Gleichung \(E_{\rm{Spann}} = \frac{1}{2} \cdot D \cdot s^2\) nach einer Größe, die unbekannt ist, auflösen. Wie du das machen kannst zeigen wir dir in der folgenden Animation.

Die Gleichung\[{\color{Red}{E_{\rm{Spann}}}} = {\frac{1}{2}} \cdot {D} \cdot {s}^2\]ist bereits nach \({\color{Red}{E_{\rm{Spann}}}}\) aufgelöst. Du brauchst also keine Umformungen durchzuführen.
Um die Gleichung\[{E_{\rm{Spann}}} = {\frac{1}{2}} \cdot {\color{Red}{D}} \cdot {s}^2\]nach \({\color{Red}{D}}\) aufzulösen, musst du drei Umformungen durchführen:


Vertausche die beiden Seiten der Gleichung.
\[{\frac{1}{2}} \cdot {\color{Red}{D}} \cdot {s}^2 = {E_{\rm{Spann}}}\]
Dividiere beide Seiten der Gleichung durch \({\frac{1}{2}} \cdot {s}^2\). Schreibe diese Division aber nicht mit dem Divisionszeichen (:), sondern als Bruch, in dem \({\frac{1}{2}} \cdot {s}^2\) im Nenner steht.
\[\frac{{{\frac{1}{2}} \cdot {\color{Red}{D}} \cdot {s}^2}}{{\frac{1}{2}} \cdot {s}^2} = \frac{{E_{\rm{Spann}}}}{{\frac{1}{2}} \cdot {s}^2}\]
Kürze den Bruch auf der linken Seite der Gleichung durch \({\frac{1}{2}} \cdot {s}^2\) und vereinfache die rechte Seite der Gleichung.\[{\color{Red}{D}} = \frac{{E_{\rm{Spann}}}}{{\frac{1}{2}} \cdot {s}^2} = \frac{2 \cdot {E_{\rm{Spann}}}}{{s}^2}\]Die Gleichung ist nach \({\color{Red}{D}}\) aufgelöst.
Um die Gleichung\[{E_{\rm{Spann}}} = {\frac{1}{2}} \cdot {D} \cdot {\color{Red}{s}}^2\]nach \({\color{Red}{s}}\) aufzulösen, musst du vier Umformungen durchführen:


Vertausche die beiden Seiten der Gleichung.
\[{\frac{1}{2}} \cdot {D} \cdot {\color{Red}{s}}^2 = {E_{\rm{Spann}}}\]
Dividiere beide Seiten der Gleichung durch \({\frac{1}{2}} \cdot {D}\). Schreibe diese Division aber nicht mit dem Divisionszeichen (:), sondern als Bruch, in dem \({\frac{1}{2}} \cdot {D}\) im Nenner steht.
\[\frac{{\frac{1}{2}} \cdot {D} \cdot {\color{Red}{s}}^2}{{\frac{1}{2}} \cdot {D}} = \frac{{E_{\rm{Spann}}}}{{\frac{1}{2}} \cdot {D}}\]
Kürze den Bruch auf der linken Seite der Gleichung durch \({\frac{1}{2}} \cdot {D}\) und vereinfache die rechte Seite der Gleichung.\[{\color{Red}{s}}^2 = \frac{{E_{\rm{Spann}}}}{{\frac{1}{2} \cdot {D}}} = \frac{2 \cdot {E_{\rm{Spann}}}}{{D}}\]
Ziehe auf beiden Seiten der Gleichung die Quadratwurzel.\[{\color{Red}{s}} = \sqrt{\frac{2 \cdot {E_{\rm{Spann}}}}{{D}}}\]Die Gleichung ist nach \({\color{Red}{s}}\) aufgelöst.
Abb. 1 Schrittweises Auflösen der Formel für die Spannenergie nach den drei in der Formel auftretenden Größen
a)

Eine Feder der Federkonstante \(500\,\frac{\rm{N}}{\rm{m}}\) ist um eine Strecke der Länge \(10\,\rm{cm}\) zusammengedrückt.

Berechne die Spannenergie der Feder.

b)

Wird das Federbein eines Autos um eine Strecke von \(2{,}0\,\rm{cm}\) zusammengedrückt, so besitzt es eine Spannenergie von \(24\,\rm{J}\).

Berechne die Federkonstante des Federbeins.

c)

Eine Feder mit der Federkonstante \(5{,}0\,\frac{\rm{N}}{\rm{cm}}\) besitzt eine Spannenergie von \(0{,}40\,\rm{J}\).

Berechne die Länge der Strecke, um die die Feder gedehnt ist.

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a)

Mit \(D = 500\,\frac{\rm{N}}{\rm{m}}\) und \(s=10\,\rm{cm}=10 \cdot 10^{-2}\,\rm{m}\) nutzen wir die Formel für die Spannenergie\[E_{\rm{Spann}} = \frac{1}{2} \cdot D \cdot s^2\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert\[E_{\rm{Spann}} = \frac{1}{2} \cdot 500\,\frac{\rm{N}}{\rm{m}} \cdot \left(10 \cdot 10^{-2}\,\rm{m}\right)^2 = 2{,}5\,\rm{J}\]

b)

Mit \(E_{\rm{Spann}} = 24\,\rm{J}\) und \(s =2{,}0\,\rm{cm}=2{,}0 \cdot 10^{-2}\,\rm{m}\) erhalten wir mit der Formel für die Spannenergie\[E_{\rm{Spann}}=\frac{1}{2} \cdot D \cdot s^2\Leftrightarrow D=\frac{2 \cdot E_{\rm{Spann}}}{s^2}\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert\[D = \frac{2 \cdot 24\,\rm{J}}{\left(2{,}0 \cdot 10^{-2}\,\rm{m}\right)^2} = 1{,}2 \cdot 10^5\,\frac{\rm{N}}{\rm{kg}}\]

c)

Mit \(E_{\rm{Spann}} = 0{,}40\,\rm{J}\) und \(D=5{,}0\,\frac{\rm{N}}{\rm{cm}}=5{,}0\,\frac{\rm{N}}{10^{-2}\,\rm{m}}=5{,}0 \cdot 10^2\,\frac{\rm{N}}{\rm{m}}\) erhalten wir mit der Formel für die Spannenergie\[E_{\rm{Spann}}=\frac{1}{2} \cdot D \cdot s^2\Leftrightarrow s = \sqrt { \frac{2 \cdot E_{\rm{Spann}}}{D}}\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert\[s = \sqrt { \frac{2 \cdot 0{,}40\,\rm{J}}{5{,}0 \cdot 10^2\,\frac{\rm{N}}{\rm{m}}}} = 0{,}040\,\rm{m}=4{,}0\,\rm{cm}\]

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Mechanik

Arbeit, Energie und Leistung