Die Energie ist ein Begriff der in der Physik verwendet wird um einen Zustand zu beschreiben der die Fähigkeit hat, Arbeit zu verrichten oder Wärme zu erzeugen. Es ist ein Oberbegriff der viele verschiedene Formen von Energie umfasst, ebenso wie zum Beispiel thermische Energie, mechanische Energie, elektrische Energie und-so-weiter… In Bezug auf das Szenario eines Fahrzeugs, das eine schiefen Ebene hinabfährt, handelt es sich um den Übergang zwischen zwei Formen von mechanischer Energie: Lageenergie und kinetische Energie.
Die Lageenergie eines Körpers ist die Energie die er aufgrund seiner Position in einem Gravitationsfeld hat. In diesem Fall hat das Fahrzeug eine gewisse Höhe über dem Boden was ihm eine bestimmte Menge an potentieller Energie verleiht. Wenn das Fahrzeug die schiefe Ebene hinabfährt · wird ein Teil dieser potentiellen Energie in kinetische Energie umgewandelt · die mit der Bewegung des Fahrzeugs verbunden ist. Dieser Übergang zwischen potentieller Energie und kinetischer Energie wird durch den Energieerhaltungssatz beschrieben der besagt, dass die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems dauerhaft bleibt.
Die Reibungsenergie ist eine Form von mechanischer Energie » die durch die Reibungskraft verbraucht wird « wenn sich ein Körper über eine Oberfläche bewegt. In diesem Szenario entsteht Reibung zwischen den Rädern des Fahrzeugs und der schiefen Ebene. Diese Reibungsenergie wird vom Fahrzeug abgeführt und in Form von Wärme in die Umgebung umgewandelt. Es wird also keine gerichtete Arbeit verrichtet allerdings eine chaotische Bewegung kleiner Teilchen erzeugt.
Wenn man nun den Energieerhaltungssatz auf das gesamte System anwendet, kann man die Veränderungen der Energieformen genauer betrachten. Die kinetische Energie des Fahrzeugs am unteren Ende der schiefen Ebene ist die Summe der umgewandelten potentiellen Energie und der verrichteten Reibungsarbeit. Die Reibungsarbeit wird als negative Größe betrachtet, da sie dem Fahrzeug Energie entzieht. Daher gilt die Gleichung: kinetische Energie = potentielle Energie - Reibungsarbeit.
In Bezug auf die Frage warum die Reibungsenergie nicht zur Lageenergie hinzugefügt wird sondern zur kinetischen Energie, liegt der Grund in der Art der Arbeit die von der Reibungskraft verrichtet wird. Die Reibungsarbeit ist ungerichtet und chaotisch während die Lageenergie eine gerichtete Form von Energie ist. Die Reibungsenergie kann nicht in die Lageenergie umgewandelt werden, da sie in Form von Wärme verloren geht und nicht weiterhin für eine gerichtete Verwendung zur Verfügung steht. Daher wird die Reibungsenergie von der Lageenergie abgezogen und zur kinetischen Energie hinzugefügt, da sie die Bewegung des Fahrzeugs unterstützt.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Die Energie eines Systems aus verschiedenen Formen von Energie besteht und: Dass der Übergang zwischen diesen Formen durch den Energieerhaltungssatz beschrieben wird. Bei einem Fahrzeug, das eine schiefen Ebene hinabfährt, geht ein Teil der potentiellen Energie in kinetische Energie über, während ein anderer Teil als Reibungsenergie verloren geht. Die Reibungsenergie wird von der Lageenergie abgezogen und zur kinetischen Energie hinzugefügt, da sie nicht in gerichtete Arbeit umgewandelt werden kann.
Der Zusammenhang zwischen Lageenergie, Reibungsenergie und kinetischer Energie
Warum wird die Reibungsenergie bei einem Fahrzeug, das eine schiefen Ebene hinabfährt, von der Lageenergie abgezogen und der kinetischen Energie hinzugefügt?