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Rechnen: Spannenergie

Ein gespannter Bogen bewegt sich nicht und liegt nicht oben — die Energie steckt in der Verformung selbst. Dazu der erste Blick auf ein Diagramm.

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Einstieg — Energie, die man in etwas hineindrückt

Die dritte Energieformel — und der erste Blick auf eine Fläche im Diagramm.

Ein gespannter Flitzebogen bewegt sich nicht und liegt nicht hoch oben — schießen kann er trotzdem.

  • Spannenergie:Diese Energie besitzt ein Körper, weil er verformt ist.
  • Zweiter Name:Man nennt sie auch elastische Energie.
  • Wo sie steckt:Im gebogenen Holz, im gedehnten Gummi, in der zusammengedrückten Feder.
  • Zwei Größen:Wie hart die Feder ist (Federkonstante D) und wie weit sie verformt wurde (Dehnung s).
  • Mit Quadrat:Wie bei der Bewegungsenergie stehen ein Quadrat und ein Faktor ½ in der Formel.
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Erklärung — E = ½ · D · s² — Hookesches Gesetz und die Fläche im Diagramm

Warum das ½ diesmal wirklich nur die Fläche eines Dreiecks ist.

Zuerst: Wie stark zieht eine Feder?

Je weiter du eine Feder dehnst, desto stärker zieht sie zurück.

  • Zusammenhang:Die Kraft wächst gleichmäßig mit der Dehnung.
  • Beispiel:Doppelte Dehnung bedeutet doppelte Kraft.
  • Hookesches Gesetz:Genau dieser einfache Zusammenhang trägt diesen Namen.
Die Federkraft wächst gleichmäßig mit der Dehnung
F = D · s
F

Federkraft in Newton (N).

D

Federkonstante in Newton pro Meter (N/m).

s

Dehnung in Metern (m).

Die Federkonstante D beschreibt, wie hart eine Feder ist.

  • Bedeutung:D = 20 N/m heißt: 20 Newton dehnen die Feder um einen Meter.
  • Weiche Feder:Eine Kugelschreiberfeder hat vielleicht D = 300 N/m.
  • Harte Feder:Ein Autofahrwerk kommt auf mehrere zehntausend N/m.

Und warum steht in der Energieformel ein ½?

Beim Spannen ist die Kraft nicht die ganze Zeit gleich groß — daher das ½.

  • Am Anfang:Die Kraft ist null, die Feder ist ja noch nicht gedehnt.
  • Am Ende:Die Kraft beträgt F = D · s; mit der Endkraft allein rechnest du zu viel.
  • Im Diagramm:Trägt man F gegen s auf, entsteht eine Gerade durch den Ursprung.
  • Die Arbeit:Sie ist die Fläche unter dieser Geraden, also ein Dreieck: ½ · s · F.
  • Einsetzen:Mit F = D · s wird daraus ½ · D · s².
Spannenergie aus Federkonstante und Dehnung
Espann = ½ · D · s²
Espann

Spannenergie in Joule (J).

D

Federkonstante in Newton pro Meter (N/m).

s

Dehnung in Metern (m); sie geht quadriert ein.

Das ½ ist also kein Trick, sondern schlicht die Fläche eines Dreiecks — dasselbe Argument steckt hinter dem ½ in der Bewegungsenergie.

Die Herleitung über die Dreiecksfläche liest sich abstrakt — sehen kann man sie aber sofort. Im Applet dehnst du eine Feder und siehst gleichzeitig, wie im Kraft-Weg-Diagramm die orange Fläche mitwächst. Diese Fläche ist nicht ähnlich der Spannenergie, sie ist sie.

Die Fläche unter der Federkurve

Links siehst du die Feder, rechts das Kraft-Weg-Diagramm. Die orange Fläche ist die gespeicherte Spannenergie.

s in m F in N

Vergleiche zwei Einstellungen: Bei doppelter Dehnung wird die Fläche nicht doppelt, sondern viermal so groß — das Dreieck wächst ja in Breite und Höhe. Bei doppelter Federkonstante wird nur die Gerade steiler, die Fläche verdoppelt sich. Genau das steht in der Formel: s im Quadrat, D einfach.

Die Einheitenprobe

Die Einheiten ergeben tatsächlich Joule
N/m · m² = N · m = J

Ein Meter kürzt sich weg, übrig bleibt Newtonmeter — also Joule.

Die Formel umstellen

Nach D oder nach s umgestellt
D = (2 · E) : s²     s = √(2 · E : D)

Wie bei der Bewegungsenergie gilt: Wer nach der quadrierten Größe sucht, zieht zum Schluss die Wurzel.

Musterrechnung in drei Stufen

Erst vollständig vorgerechnet, dann mit Lücken, dann allein.

Stufe 1 · vollständig vorgerechnet

Aufgabe: Eine Feder mit D = 200 N/m wird um 10 cm gedehnt. Wie viel Spannenergie speichert sie?

1Gegeben und gesucht: D = 200 N/m, s = 10 cm; gesucht: Espann
2Einheiten prüfen: Zentimeter müssen in Meter.s = 10 cm : 100 = 0,10 m
3Formel: E = ½ · D · s² — E ist gesucht, also nichts umstellen.
4Einsetzen:E = ½ · 200 N/m · (0,10 m)² = 0,5 · 200 · 0,01 J = 1 J
5Antwort: Die Feder speichert 1 J. Zur Plausibilität: Das reicht, um 100 g einen Meter hochzuheben — für eine handelsübliche Feder realistisch.
Stufe 2 · zwei Schritte fehlen

Aufgabe: Ein Expander hat die Federkonstante 45 N/m und wird um 25 cm gedehnt. Welche Spannenergie steckt darin?

1Gegeben: D = 45 N/m, s = 25 cm; gesucht: Espann
2Umrechnen: s = 25 cm = ? m
3Einsetzen:E = ½ · 45 N/m · ( ? m )² = ? J
4Kontrolle: Es müssen rund 1,41 J herauskommen. Steht bei dir 14 062,5 J, hast du in Zentimetern gerechnet — und der Fehler wurde durch das Quadrat gleich zehntausendfach vergrößert.
Stufe 3 · jetzt du allein

Aufgabe: Ein Sportbogen hat die Federkonstante 800 N/m und wird um 60 cm ausgezogen. Berechne die gespeicherte Spannenergie.

!Die Dehnung steht wieder in Zentimetern. Rechne vor dem Quadrieren um.
Lösung anzeigen

s = 60 cm = 0,60 m

E = ½ · 800 N/m · (0,60 m)² = 0,5 · 800 · 0,36 J = 144 J

Der Bogen speichert 144 J. Diese Energie geht beim Schuss fast vollständig in den Pfeil über — bei 25 g Pfeilmasse ergäbe das über 100 m/s.

Aus dem Unterricht

Die Formel dreifach umgestellt

Die Tabelle aus dem Arbeitsblatt: dieselbe Formel, dreimal nach einer anderen Größe aufgelöst — jeweils mit den Umformungsschritten daneben.

Spannenergie EspannFederkonstante DAuslenkung s
Espann = ½ · D · s²
Espann – Spannenergie in J
D – Federkonstante in N/m
s – Auslenkung in m
½ · D · s² = Espann| · 2
D · s² = 2 · Espann| : s²
D = (2 · Espann) : s²
½ · D · s² = Espann| · 2
D · s² = 2 · Espann| : D
s² = (2 · Espann) : D| √
s = √( (2 · Espann) : D )

Die drei Beispiele, die wir gerechnet haben

1. Gegeben D = 20 N/m, s = 0,8 m  →  Espann = ½ · 20 N/m · (0,8 m)² = 6,4 J
2. Gegeben Espann = 18 J, s = 0,2 m  →  D = (2 · 18 J) : (0,2 m)² = 900 N/m
3. Gegeben Espann = 3200 J, D = 400 N/m  →  s = √((2 · 3200 J) : 400 N/m) = 4 m
Die Auslenkung ist nicht die Länge der Feder: In Ruhe war sie 60 cm lang, mit Gewicht 80 cm — eingesetzt wird nur der Unterschied s = 20 cm = 0,20 m. Und: 1 Joule = 1 Newtonmeter (1 J = 1 Nm).

Unterrichtsmitschrift 1.3.3 Spannenergie · Arbeitsblatt „Spannenergie“, Aufgaben 1 und 2

Interaktiv: Die Fläche unter der Federkurve

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Hinweise — Damit nichts schiefgeht

Drei Stellen, an denen es bei der Spannenergie oft hakt:

Hinweis

Rechne die Dehnung zuerst in Meter um — Zentimeter durch 100, Millimeter durch 1000 — und quadriere erst danach.

Hinweis

Der Faktor ½ gehört dazu; ohne ihn kommt genau das Doppelte heraus.

Hinweis

Verwechsle F (Kraft in N) nicht mit D (Federkonstante in N/m) — die Einheit verrät dir, welche Größe gemeint ist.

Videos zur Spannenergie