Kinetische und potentielle Energie

Kinetische Energie ist Energie, die ein Körper aufgrund seiner Bewegung besitzt . Potenzielle Energie ist die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Position oder seines Zustands besitzt . Während die kinetische Energie eines Objekts relativ zum Zustand anderer Objekte in seiner Umgebung ist, ist die potentielle Energie völlig unabhängig von seiner Umgebung. Daher ist die Beschleunigung eines Objekts bei der Bewegung eines Objekts nicht erkennbar, wenn auch andere Objekte in derselben Umgebung in Bewegung sind. Zum Beispiel besitzt eine Kugel, die an einer stehenden Person vorbeizieht, kinetische Energie, aber die Kugel hat keine kinetische Energie in Bezug auf einen Zug, der sich neben ihm bewegt.

Vergleichstabelle

Vergleichstabelle Kinetische Energie gegen potentielle Energie
Kinetische Energie Potenzielle Energie
DefinitionDie Energie eines Körpers oder eines Systems in Bezug auf die Bewegung des Körpers oder der Partikel im System.Potenzielle Energie ist die in einem Objekt oder System aufgrund seiner Position oder Konfiguration gespeicherte Energie.
Beziehung zur UmweltDie kinetische Energie eines Objekts ist relativ zu anderen sich bewegenden und stationären Objekten in seiner unmittelbaren Umgebung.Potenzielle Energie ist nicht relativ zur Umgebung eines Objekts.
ÜbertragbarkeitKinetische Energie kann beispielsweise bei Kollisionen von einem sich bewegenden Objekt auf ein anderes übertragen werden.Potenzielle Energie kann nicht übertragen werden.
BeispieleFließendes Wasser, z. B. beim Fallen von einem Wasserfall.Wasser oben auf einem Wasserfall vor dem Abgrund.
SI-EinheitJoule (J)Joule (J)
Bestimmende FaktorenGeschwindigkeit / Geschwindigkeit und MasseHöhe oder Entfernung und Masse

Umwandlung von kinetischer und potentieller Energie

Das Energieerhaltungsgesetz besagt, dass Energie nicht zerstört, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann. Nehmen Sie ein klassisches Beispiel für ein einfaches Pendel. Wenn das Pendel schwingt, bewegt sich der schwebende Körper höher und aufgrund seiner Position steigt die potentielle Energie und erreicht oben ein Maximum. Wenn das Pendel seinen Abwärtsschwung beginnt, wird die gespeicherte potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt.

Wenn eine Feder zu einer Seite gedehnt wird, übt sie eine Kraft auf die andere Seite aus, damit sie in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren kann. Diese Kraft wird als Rückstellkraft bezeichnet und dient dazu, Objekte und Systeme in ihre Position mit niedrigem Energieniveau zu bringen. Die zum Dehnen der Feder erforderliche Kraft wird als potentielle Energie im Metall gespeichert. Wenn die Feder freigegeben wird, wird die gespeicherte potentielle Energie durch die Rückstellkraft in kinetische Energie umgewandelt.

Wenn eine Masse angehoben wird, wirkt sie durch die Gravitationskraft der Erde (und in diesem Fall durch die Rückstellkraft) wieder herunter. Die Energie, die zum Anheben der Masse benötigt wird, wird aufgrund ihrer Position als potentielle Energie gespeichert. Wenn die Masse abfällt, wird gespeicherte potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt.

Etymologie

Das Wort "kinetisch" leitet sich vom griechischen Wort " Kinesis" ab, was "Bewegung" bedeutet. Die Begriffe "kinetische Energie" und "Arbeit", wie sie heute verstanden und verwendet werden, stammen aus dem 19. Jahrhundert. Insbesondere wird angenommen, dass "kinetische Energie" um 1850 von William Thomson (Lord Kelvin) geprägt wurde.

Der Begriff "potentielle Energie" wurde von William Rankine geprägt, einem schottischen Physiker und Ingenieur, der zu einer Vielzahl von Wissenschaften, einschließlich der Thermodynamik, beigetragen hat.

Arten von kinetischer Energie und potentieller Energie

Kinetische Energie kann je nach Art der Objekte in zwei Typen eingeteilt werden:

  • Translationale kinetische Energie
  • Kinetische Rotationsenergie

Starre nicht rotierende Körper haben eine geradlinige Bewegung. Die translatorische kinetische Energie ist also die kinetische Energie eines Objekts, das sich in einer geraden Linie bewegt. Die kinetische Energie eines Objekts hängt mit seinem Impuls zusammen (Produkt aus Masse und Geschwindigkeit, p = mv, wobei m Masse und v Geschwindigkeit ist). Die kinetische Energie wird durch die Beziehung E = p ^ 2 / 2m mit dem Impuls in Beziehung gesetzt, und daher wird die kinetische Energie der Translation als E = ½ mv ^ 2 berechnet. Starre Körper, die sich entlang ihres Massenschwerpunkts drehen, besitzen kinetische Rotationsenergie. Die kinetische Rotationsenergie eines rotierenden Körpers wird als die gesamte kinetische Energie seiner verschiedenen beweglichen Teile berechnet. Körper in Ruhe haben auch kinetische Energie. Die Atome und Moleküle darin sind in ständiger Bewegung. Die kinetische Energie eines solchen Körpers ist das Maß für seine Temperatur.

Die potentielle Energie wird in Abhängigkeit von der anwendbaren Rückstellkraft klassifiziert.

  • Potenzielle Gravitationsenergie - potentielle Energie eines Objekts, die mit der Gravitationskraft verbunden ist. Wenn beispielsweise ein Buch auf einen Tisch gelegt wird, ist die Energie, die erforderlich ist, um das Buch vom Boden zu heben, und die Energie, die das Buch aufgrund seiner erhöhten Position auf dem Tisch besitzt, die potentielle Gravitationsenergie. Hier ist die Schwerkraft die Rückstellkraft.
  • Elastische potentielle Energie - Energie, die ein elastischer Körper wie Bogen und Katapult besitzt, wenn er in eine Richtung gedehnt und deformiert wird, ist elastische potentielle Energie. Die Rückstellkraft ist die Elastizität, die in die entgegengesetzte Richtung wirkt.
  • Chemische potentielle Energie - Energie, die mit der Anordnung von Atomen und Molekülen in einer Struktur zusammenhängt, ist chemische potentielle Energie. Chemische Energie, die ein Stoff aufgrund seines Potentials besitzt, eine chemische Veränderung durch Teilnahme an einer chemischen Reaktion zu erfahren, ist die chemische potentielle Energie des Stoffes. Wenn beispielsweise Kraftstoff verwendet wird, wird die im Kraftstoff gespeicherte chemische Energie in Wärme umgewandelt.
  • Elektrische potentielle Energie - Energie, die ein Objekt aufgrund seiner elektrischen Ladung besitzt, ist elektrische potentielle Energie. Es gibt zwei Arten - elektrostatische potentielle Energie und elektrodynamische potentielle Energie oder magnetische potentielle Energie.
  • Nukleare potentielle Energie - Die potentielle Energie, die Teilchen (Neutronen, Protonen) innerhalb eines Atomkerns besitzen, ist nukleare potentielle Energie. Beispielsweise wandelt die Wasserstofffusion in der Sonne potenzielle Energie, die in Sonnenmaterie gespeichert ist, in Lichtenergie um.

Anwendungen

  • Die Achterbahnfahrt in einem Vergnügungspark beginnt mit der Umwandlung von kinetischer Energie in potentielle Gravitationsenergie.
  • Die Energie des Gravitationspotentials hält Planeten in der Umlaufbahn um die Sonne.
  • Projektile werden von einem Trebuchet geworfen, das die potentielle Energie der Gravitation nutzt.
  • In Raumfahrzeugen wird chemische Energie zum Abheben verwendet, wonach die kinetische Energie erhöht wird, um die Umlaufgeschwindigkeit zu erreichen. Die gewonnene kinetische Energie bleibt im Orbit konstant.
  • Die kinetische Energie, die zum Aufrufen eines Balls in einem Billardspiel gegeben wird, wird durch Kollisionen auf andere Bälle übertragen.

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