Untertitel: Die Cheops-Pyramide
Wenn ein Gegenstand gehoben wird, dann erhöht sich seine Energie. Dazu muss man aber Hebearbeit aufwenden.
Strom lässt sich in großen Mengen leider nicht speichern (F3). Also muss man ihn dann erzeugen, wenn man ihn braucht. In der Nacht ist meist ein Stromüber-fluss da. Damit kann man Wasser in höher gelegene Stauseen pumpen. Gibt es einen Stromengpass, lässt man den Stausee aus und erzeugt mit dem fallenden Wasser Strom.
Bei dieser Technik nutzt man aus, dass durch das Heben eines Gegenstandes Energie gespeichert wird, die beim Sinken wieder frei wird. Nach diesem Prinzip haben auch die ersten genauen Uhren, die Räderuhren (siehe Abb. 9.7 und Abb. 2.16, Kap. 2.4), funktioniert. Diese werden aufgezogen, indem man ein Gewicht in die Höhe hebt.
| Um diese Uhr aufzuziehen, muss man ein Gewicht in die Höhe ziehen. |
Die Arbeit, die man zum Heben aufwenden muss, nennt man Hebearbeit, und die Energie, die man dadurch speichert, Lageenergie oder potenzielle Energie.
Potenziell bedeutet möglich! Die Energie kann, muss aber nicht frei werden! Wenn zum Beispiel das Ventil des Stausees nicht geöffnet wird, dann bleibt das Wasser oben und die Energie gespeichert. Auf die Gleichung der Hebearbeit kommt man ganz einfach über die allgemeine Definition der Arbeit: Arbeit ist Kraft mal Weg. Die Kraft, die man beim Heben überwinden muss, ist die Gewichtskraft eines Gegenstandes, und der Weg ist die Hebehöhe. Also gilt: Hebearbeit ist Gewicht mal Hebehöhe. Du siehst, dass die Hebearbeit linear mit der Hebehöhe wächst: doppelte Höhe, doppelte Hebearbeit.
| Hebearbeit ($W_H$) und potentielle Energie ($E_p$): $W_H=E_p=m\cdot g\cdot h$ | |
|---|---|
| $m$ | Masse |
| $g$ | Schwerebeschleunigung |
| $h$ | Hebehöhe |
Manchmal wird die potenzielle Energie negativ angegeben. Das liegt daran, dass man den Nullpunkt, vom dem aus man die Höhe misst, beliebig wählen kann. Um eine 1-kg-Kugel aus einer 1 m tiefen Mulde zu rollen, braucht man etwa 10 J. Es ist völlig egal, ob man den Nullpunkt oben (a) oder in der Mulde (b) annimmt. Die Differenz zwischen unten und oben sind immer 10 J. Wenn man den Nullpunkt oben annimmt, dann hat die Kugel unten -10 J. Das Minus bedeutet, dass sich die Kugel in einem „gebundenen Zustand“ befindet und man Energie braucht, um sie da rauszukriegen.
Man muss sich das einmal vorstellen: Beim Bau der Cheops-Pyramide haben 20 Jahre lang bis zu 25.000 Arbeiter geschuftet! Könnte man diese Hebeenergie ohne Verlust in Strom umwandeln, dann könnte man Österreich damit aber für bloß 5 Minuten versorgen (F4)! 20 Jahre Arbeit in nur 5 Minuten verbraucht! Daran siehst du zwei wichtige Dinge: Erstens steckt im Strom unglaublich viel Energie (siehe auch Kap. 9.5), und zweitens ist unser intuitives Verständnis für Energien nicht wirklich ausgeprägt!
| Es kommt auf das Nullniveau an! |