Energie und verschiedene Energieformen

Die physikalische Arbeit verrichtet sich nicht von selbst. Damit gearbeitet werden kann, muss immer etwas Energie hinzugeführt werden. Anders ausgedrückt: Energie ist nötig, um arbeiten zu können beziehungsweise: Energie ist die Voraussetzung um Arbeit zu verrichten. Energie gibt es in unterschiedlichen Energieformen. Die wichtigsten mechanischen Energieformen sind die kinetische Energie (Bewegungsenergie), die potentielle Energie (Höhenenergie) und die Spannenergie. In der Physik gibt es darüber hinaus auch noch die elektrische Energie, die Wärmeenergie und die chemische Energie sowie die Strahlungsenergie.

Arbeiten kann nur, wer Energie hat. Verdeutlich wird dies am Leistungssportler, welcher nach dem Training großen Appetit hat und den Energieverlust durch den Sport durch die chemische Energie der Lebensmittel ersetzt. Dies gilt nicht nur für Menschen, sondern auch für Tiere und auch alle Maschinen und Geräte, welche Arbeiten verrichten. Im Folgenden werden zur Veranschaulichung einige Beispiele genannt:

Spannenergie, Bogenschütze: der Bogen bekommt Spannenergie, wenn er durch den Einsatz Muskeln gespannt wird. Höhenenergie durch das Anheben eines beliebigen Körpers Bewegungsenergie durch das Anschieben eines beliebigen Körpers. Wärmeenergie durch Reibung.

Insgesamt gilt also: Wenn an einem Körper physikalische Arbeit verrichtet wird, erhält dieser Energie. Die Energie kann vom Körper gespeichert werden. Wenn der Körper dann Arbeit verrichtet, so nimmt die Energie des Körpers wieder ab. Er gibt diese Energie an einen anderen Körper weiter. Je nachdem wie viel oder wenig Arbeit an einem Körper verrichtet wird, wird hierbei viel oder wenig Energie übertragen. Die übertragene Energie ist stets genauso groß, wie die verrichtete Arbeit.
Die Energie ist eine Erhaltungsgröße, doch woher kommt sie?

Die Sonne ist ein großer Energielieferant. Die Energie, welche sie abstrahlt ist der Ausgangspunkt für die meisten Energieformen. Die Sonne verhilft den Pflanzen zur Fotosynthese. Bei der Fotosynthese entsteht Sauerstoff. Außerdem bauen die Pflanzen Traubenzucker auf, aus diesem bauen sie anschließend Stärke und Cellulose auf. In denen ist chemische Energie gespeichert, welche freigesetzt werden kann. Zusammengefasst, lässt sich sagen, dass Pflanzen Energie vom Energieträger Sonne aufnehmen und dann selbst zu Energieträgern werden.

Weitere Energieträger sind Kohle, Erdöl und Erdgas. Auch in diesen Energieträgern befindet sich gespeicherte Energie der Sonne. Wenn man diese Brennstoffe verbrennt, entsteht Wärmeenergie, aus der wiederum weitere Energieformen gewonnen werden können.

Energiequellen - geschichtlich betrachtet

In der Antike bestand Arbeit beispielsweise aus Muskelarbeit auf den Feldern, wenn diese bewässert werden mussten oder zum Beispiel auch, wenn Getreide geerntet und gemahlen werden sollte. Da diese Arbeit sehr mühsam und zeitintensiv waren, wurden hierfür oft Sklaven eingesetzt oder Tiere eingespannt. Ein klassisches Beispiel sind Göpel, in denen eingespannte Pferde im Kreis liefen und somit Zahnräder antrieben. Diese Gerätschaften wurden beispielsweise verwendet, um einen Mühlstein anzutreiben. Ungefähr im Jahre 200 vor Christus wurde das Wasser als Energiequelle entdeckt.

Wasserräder fanden ab dem Mittelalter in zunehmender Häufigkeit Verwendung. Sie wurden oft als Antrieb für Mühlen benutzt. Seit etwa dem 12. Jahrhundert haben Forscher und Erfinder versucht, durch den Bau von Maschinen Energie zu gewinnen, um die alltägliche Arbeit zu erleichtern. Der Wunsch dieser Erfinder war eine von selbst fortlaufende Maschine, welche fortwährend Arbeit verrichtet. Dies wäre eine unendliche Energiequelle gewesen und neuerliche Energiequellen wären nicht mehr gebraucht worden. Jedoch ist es bis heute niemandem gelungen, eine solche Maschine zu entwickeln.

Die mechanische Leistung

Die mechanische Leistung beschreibt das Arbeitstempo. Sie gibt an, wie viel Arbeit in einer Sekunde verrichtet wird. Mechanische Leistung wird sowohl in natürlichen Körpern, wie beispielsweise dem Organ Herz verrichtet, also auch in künstlichen Körpern, wie beispielsweise im Motor eines Autos.

Hebelkräfte

Hebel sind Werkzeuge welche als Kraftverstärker eingesetzt werden und somit die Arbeit deutlich erleichtern können. Ein Hebel besteht aus zwei Armen, dem Lastarm und dem Kraftarm sowie einem gemeinsamen Drehpunkt. Ein klassisches Beispiel für einen Hebel ist ein Nussknacker oder auch der Drehmomentschlüssel.
Das Hebelgesetz lässt sich vereinfacht als:
linker Abstand linke Kraft = rechter Abstand recht Kraft
darstellen.

Neben den oben beschriebenen „künstlichen“ Hebeln, gibt es auch zahlreiche natürliche Hebel. Diese kommen in der Pflanzenwelt, in der Tierwelt und beim Menschen vor. In folgenden werden je ein Beispiel aus der Pflanzen- und Tierwelt erklärt.

Für Pflanzen ist es wichtig, dass ihre Blüten bestäubt werden, denn nur so können sie ihre Früchte und ihre Samen entwickeln. Hummeln führen diesen Prozess durch, da sie auf der Suche nach Nektar, von Blüte zu Blüte fliegen. Beim Salbei spielt der Hebel bei der Bestäubung eine wichtige Rolle. Der Staubfaden, welche den Blütenstaub enthält, liegt in der Regel dicht am Blütenblatt an. Der Weg zum Nektar ist für die Hummel (oder andere Insekten) versperrt. Die Hummel muss, um an den Nektar zu kommen, ihren Rüssel an die Platte nach hinten drücken. Der Staubfaden in der Blüte klappt hierdurch weg und der Staubbeutel landet auf dem Rücken der Hummel. Der Blütenstaub bleibt auf ihr kleben und sie trägt diesen zur nächsten Blüte weiter.

In der Tierwelt kommt der Hebel in zahlreichen Fällen und Formen vor, beispielsweise bei giftigen Schlangen, welche ihre Giftzähne mit Hilfe eines Hebels aufrichten. Eine Kreuzotter beispielsweise öffnet ihr Maul und richtet ihre Giftzähne erst dann auf, wenn Gefahr droht. Bei geschlossenem Maul liegen ihre Giftzähne nach innen gegen den Oberkiefer geklappt an, damit sich das Tier nicht selbst verletzt. Der Giftzahn steckt drehbar im Oberkiefer der Schlange. Wenn die Kreuzotter ihr Maul öffnet, hebt sich der Schädelknochen und der Giftzahn kippt nach vorne, so ist sie zum Angriff bereit.