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mechanische Energie

Mechanische Energie wird zum Leisten mechanischer Arbeit benötigt, beispielsweise zum Antrieb von Maschinen. Wird ein Gegenstand mit einer gewissen Antriebskraft über eine bestimmte Weglänge bewegt, so ergibt sich die dafür nötige mechanische Energie als das Produkt von Kraft und Weglänge (wenn Kraft und Bewegung gleich gerichtet sind). Beim Anheben von Gegenständen entspricht die nötige Kraft der Gewichtskraft, soweit nicht noch Reibungskräfte hinzukommen.

Beispiele

Einige Beispiele für das Rechnen mit mechanischer Energie:

• 1000 Liter Wasser sollen in einen 500 m höher gelegenen Stausee gepumpt werden. Das Gewicht des Wassers beträgt ca. 9,8 m/s² · 1000 kg = 9800 N. (Der erste Wert ist die Fallbeschleunigung an der Erdoberfläche.) Die nötige Energiemenge (ohne Energieverluste in der Pumpe und Reibungsverluste in einer Rohrleitung) beträgt 9800 N · 500 m = 4 900 000 J = 4,9 MJ = 1,36 kWh. Die in Form des angehobenen Wassers gespeicherte Energie wird als Lageenergie oder potenzielle Energie bezeichnet.
• Ein Auto muss mit einer Kraft von 250 N angetrieben werden, um auf der Ebene eine Geschwindigkeit von 100 km/h halten zu können. Pro Sekunde bewegt sich das Auto um 100 km/h / 3600 s/h = 27,8 m. Also muss der Motor pro Sekunde eine Energiemenge von 250 N · 27,8 m = 6944 J liefern (ohne Reibungsverluste im Antriebsstrang). Dies entspricht einer Leistung von 6944 J/s = 6,944 kW.
• Die Bewegungsenergie (kinetische Energie) in einem Körper ist die halbe Masse mal der Geschwindigkeit im Quadrat. Beispielsweise benötigt die Beschleunigung eines 1000 kg schweren Autos aus dem Stand auf 100 km/h (= 27,8 m/s) eine Energie von 0,5 · 1000 kg · (27,8 m/s)² = 386 kJ (ohne Verluste im Antriebsstrang, Luftwiderstand u. ä.). Für 50 km/h bräuchte man nur ein Viertel dieser Energiemenge.
• Bei Drehbewegungen ergibt sich die Energie aus dem Drehmoment multipliziert mit dem Drehwinkel gemessen im Bogenmaß (nicht in Graden). Die Leistung ergibt sich als das Drehmoment multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit bzw. mit <$2\pi$> mal der Zahl der Umdrehungen pro Sekunde. Beispielsweise ergibt sich bei einem Drehmoment von 100 N m für 3000 Umdrehungen pro Minute (50 Umdrehungen pro Sekunde) eine Leistung von 100 N m · <$2\pi$> · 50 /s ≈ 31,4 kW.

Umwandlung zwischen mechanischer Energie und anderen Energieformen

Mechanische Energie ist reine Exergie, d. h. Energie der höchsten Wertigkeit. Sie kann im Prinzip verlustlos in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt werden. Ein Elektromotor kann die umgekehrte Umwandlung durchführen.

Durch Reibung entsteht aus mechanischer Energie Wärme. Umgekehrt lässt sich mechanische Energie aus Wärme in Wärmekraftmaschinen gewinnen, jedoch nur mit einem durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzten Wirkungsgrad.

Muskeln erzeugen mechanische Energie direkt aus chemischer Energie, ebenfalls mit mäßigem Wirkungsgrad.

Siehe auch: Kraft, Arbeit, Energie, Exergie, Leistung, Reibung, Thermodynamik