Kraft mal Weg — und plötzlich erklären sich zwei Energieformeln von selbst.
Eine Kiste liegt am Boden und hat keine Lageenergie. Hebst du sie auf den Tisch, hat sie welche. Irgendwoher muss diese Energie gekommen sein — du hast sie übertragen, indem du eine Kraft entlang eines Weges ausgeübt hast.
Diesen Vorgang nennt die Physik Arbeit.
Arbeit wird verrichtet, wenn eine Kraft längs eines Weges wirkt.
Arbeit in Joule (J); 1 J = 1 Nm.
Kraft in Richtung des Weges in Newton (N).
Weg in Meter (m).
Die übertragene Energie ist genau die verrichtete Arbeit.
Bei der Feder ist die Kraft nicht konstant.
Im F‑s‑Diagramm ist das die Dreiecksfläche statt der Rechtecksfläche.
Kraft am Anfang und am Ende des Weges bestimmen den Kraft-Weg-Graphen. Die blaue Fläche darunter ist die verrichtete Arbeit — je nach Kraftverlauf entsteht ein Rechteck, ein Dreieck oder ein Trapez.
Halte fest: Arbeit ist die Fläche unter dem F‑s‑Graphen — ein Rechteck bei konstanter Kraft, ein Dreieck bei der Feder (Kraft wächst von 0), allgemein mittlere Kraft mal Weg. Der Knopf Federkraft stellt D = 20 N/m und s = 4 m ein: Das Dreieck liefert 160 J, das Rechteck mit derselben Endkraft genau das Doppelte.
Drei Stolperstellen
Trägst du eine Kiste waagerecht, zeigt die Kraft nach oben, der Weg zur Seite: W = 0.
Energie hat ein Körper, Arbeit wird verrichtet. Gemessen wird beides in Joule: 1 Nm = 1 J.
W = F · s gilt nur bei konstanter Kraft. Bei der Feder gehört das Halb dazu.