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Lageenergie

Energie allein durch Höhe — und warum man vorher sagen muss, wo „oben“ anfängt.

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Einstieg — Energie allein durch die Höhe

Ein Springer auf dem 10-Meter-Turm bewegt sich nicht und ist auch nicht verformt. Trotzdem steckt Energie in ihm — sie wird in dem Moment sichtbar, in dem er springt.

Die Energie steckt allein in der Höhe.

  • Ursache:Er hat sie nur, weil er sich oben befindet.
  • Herkunft:Jemand musste ihn hinaufbringen und ihm dabei Energie zuführen.
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Erklärung — Definition und Formel

Lageenergie ist Energie allein aus der Höhe.

  • Definition:Energie, die ein Körper aufgrund seiner Höhe über einem gewählten Bezugsniveau besitzt.
  • Zweiter Name:potenzielle Energie.
Lageenergie
Epot = m · g · h
Epot

Lageenergie in Joule (J).

m

Masse in Kilogramm (kg).

g

Ortsfaktor, auf der Erde 9,81 m/s².

h

Höhe über dem Bezugsniveau in Metern (m).

Die Formel folgt direkt aus dem Anheben.

  • Herleitung:Beim Anheben wirkt man gegen die Gewichtskraft FG = m · g. Zugeführte Energie: W = FG · h = m · g · h.
  • Ergebnis:Genau diese Energie steckt danach im Körper.
  • Masse:Doppelte Masse → doppelte Lageenergie.
  • Höhe:Doppelte Höhe → doppelte Lageenergie — nichts steht im Quadrat.
  • Ortsfaktor g:Hängt vom Himmelskörper ab: Erde 9,81 m/s², Mond nur etwa 1,62 m/s².

Das Bezugsniveau muss man festlegen

Höhe ist immer eine Höhe über etwas.

  • Beispiel:Ein Buch liegt 0 m über der Tischplatte und 0,8 m über dem Fußboden — beides stimmt.
  • Folge:Vor jeder Rechnung legt man ein Bezugsniveau (Nullniveau) fest.
  • Meist wählt man den Boden oder die Wasseroberfläche.
  • Zahlenwert:Epot hängt vom gewählten Nullniveau ab.
  • Änderung:ΔEpot bei einer Bewegung hängt nicht davon ab — nur sie zählt in Energiebilanzen.
  • Beispiel:m = 40 kg, h = 10 m über dem Wasser: Epot = 40 kg · 9,81 m/s² · 10 m = 3924 J.

Interaktiv: Wer hat mehr Lageenergie?

Zwei Kräne heben zwei Lasten — die eine schwer und niedrig, die andere leicht und hoch. Beide Kräne heben genau 10 s lang: Welche Last hat am Ende mehr Lageenergie?

Wer hat mehr Lageenergie?

Paar 1 von 6

Weder die Masse allein noch die Höhe allein entscheidet, sondern das Produkt m · h — und wie lange der Kran dafür braucht, spielt für die Lageenergie gar keine Rolle.

Interaktiv: Das Nullniveau verschieben

Höhe ist immer Höhe über etwas — je nach gewählter Nulllinie ändert sich manches, anderes nicht.

Bezugsniveau und Lageenergie

Die Kugel hängt in einer festen Höhe über dem Boden; nur die gewählte Nulllinie wandert.

8,0 m
Boden (0,0 m)
Eine Kugel über dem Boden; eine verschiebbare Nulllinie legt fest, worauf sich die Höhe bezieht Boden h = 0 h = 8,0 m
Epot bezüglich Nulllinie392,4 J
Epot bezüglich Boden392,4 J
ΔE beim Fall auf den Boden392,4 J

Der mittlere Wert ändert sich, sobald du die Nulllinie verschiebst — der rechte nie. Das ist die entscheidende Einsicht: Der Zahlenwert der Lageenergie hängt vom gewählten Bezugsniveau ab, die Änderung der Lageenergie bei einer Bewegung aber nicht. Und nur diese Änderung geht in Energiebilanzen ein.

Interaktiv: Die Formel umstellen

Mal ist die Energie gesucht, mal die Höhe, mal die Masse. Der Weg ist immer derselbe — und diesmal ganz ohne Wurzel.

Umform-Trainer: Epot = m · g · h

In jeder Zeile führt eine Umformung dazu, dass die Störgrößen verschwinden.

Anders als bei Ekin und ESpann steht hier keine Größe im Quadrat — deshalb kommt beim Umstellen auch nie eine Wurzel vor. Es wird nur geteilt.

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Hinweise — Worauf du achten solltest

Drei Stolperstellen

Hinweis

h ist die Höhe

Rollt ein Wagen 12 m schiefe Ebene hinunter und verliert 5 m Höhe, ist h = 5 m.

Hinweis

Nullniveau angeben, dann beibehalten

Wer mitten in der Rechnung wechselt, bekommt falsche Energiebilanzen.

Hinweis

g ist kein Gewicht

g = 9,81 m/s² ist der Ortsfaktor. Die Gewichtskraft m · g wird in Newton gemessen.

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