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Physik Step 38 (neu)

Lernkarten zu Step 38 des Grundlagenfachs Physik: Reibung und Wirkungsgrad (Reibungsarbeit, Reibungsverlust, Wirkungsgrad verketteter Energieumwandlungen).

Lernkarten zu Step 38 des Grundlagenfachs Physik: Reibung und Wirkungsgrad (Reibungsarbeit, Reibungsverlust, Wirkungsgrad verketteter Energieumwandlungen).

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Sprache
Deutsch
Kategorie
Physik
Stufe
Mittelschule
Erstellt / Aktualisiert
23.10.2026 / 23.10.2026
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Lernkarten

Was versteht man unter der Reibungsarbeit?

Die Arbeit, welche die Reibungskraft an einem Körper verrichtet, während er sich um die Strecke s bewegt: W_R = –F_R ⋅ s.

Wovon hängt die Reibungsarbeit ab?

Von der Reibungskraft F_R (also von Reibungszahl μ und Normalkraft F_N) und von der zurückgelegten Strecke s.
Wohin geht die Energie, die der Reibungsarbeit entspricht?

Sie wird in Wärme (innere Energie) umgewandelt – z. B. warme Handflächen beim Reiben oder heisse Bremsscheiben nach dem Bremsen.

Warum trägt die Reibungsarbeit immer ein Minuszeichen?

Die Gleitreibungskraft zeigt stets entgegen der Bewegung. Kraft und Weg sind entgegengesetzt, und eine Kraft gegen den Weg verrichtet negative Arbeit.

Was bedeutet eine positive Arbeit (W > 0) für die Energie eines Körpers?

Energie fliesst in den Körper hinein – er wird schneller oder steigt höher.

Was bedeutet eine negative Arbeit (W < 0) für die Energie eines Körpers?

Energie fliesst aus dem Körper heraus – er wird langsamer. Die Reibungsarbeit ist immer negativ: Sie entzieht dem Körper mechanische Energie.
Wie merkt man sich das Vorzeichen der Reibungsarbeit?

Reibung ist nie ein Antrieb, sondern immer ein Bremser. Was bremst, nimmt Energie weg – und Energie wegnehmen heisst negative Arbeit.

Wie berechnet man die Reibungskraft F_R?

F_R = μ ⋅ F_N (μ = Gleitreibungszahl, F_N = Normalkraft). Auf einer waagrechten Fläche ist F_N = F_G = m ⋅ g.

Wie lautet die Formel für die Reibungsarbeit auf einer waagrechten Fläche?

W_R = –F_R ⋅ s = –μ ⋅ F_N ⋅ s = –μ ⋅ m ⋅ g ⋅ s

Eine Kiste (m = 20 kg) wird 8,0 m über einen waagrechten Boden geschoben, μ = 0,30. Wie gross ist die Reibungsarbeit? (g = 10 m/s²)

F_N = m ⋅ g = 200 N; F_R = μ ⋅ F_N = 0,30 ⋅ 200 N = 60 N; W_R = –F_R ⋅ s = –60 N ⋅ 8,0 m = –4,8 ⋅ 10² J
Ein Auto (m = 1200 kg) kommt mit blockierten Rädern nach 25 m Bremsspur zum Stillstand, μ = 0,80. Wie viel Bewegungsenergie wurde in Wärme umgewandelt? (g = 10 m/s²)

E_Wärme = |W_R| = μ ⋅ m ⋅ g ⋅ s = 0,80 ⋅ 1200 kg ⋅ 10 m/s² ⋅ 25 m = 2,4 ⋅ 10⁵ J = 0,24 MJ

Ein Koffer (m = 12 kg) wird 6,0 m weit geschoben; die Reibung verrichtet dabei W_R = –360 J. Wie gross ist die Gleitreibungszahl? (g = 10 m/s²)

μ = |W_R| / (m ⋅ g ⋅ s) = 360 J / (12 kg ⋅ 10 m/s² ⋅ 6,0 m) = 360 J / 720 J = 0,50

Wie ist der Wirkungsgrad η definiert?

η = E_nutzbar / E_aufgewendet (Nutzen ÷ Aufwand) – der Anteil der aufgewendeten Energie, der als nutzbare Energie herauskommt. Er hat keine Einheit.

Welche Energie gehört beim Wirkungsgrad in den Zähler, welche in den Nenner?

Zähler: die nutzbare Energie (was am Ziel ankommt, z. B. gewonnene Lageenergie oder erzeugter Strom). Nenner: die aufgewendete Energie (alles, was hineingesteckt wird). Kommt η > 1 heraus, wurde vertauscht.
Zwischen welchen Werten liegt der Wirkungsgrad, und warum erreicht er nie 100 %?

Zwischen 0 und 1 (0 % bis 100 %). Weil immer Reibung auftritt, geht stets ein Teil der Energie als Wärme verloren – ein realer Wirkungsgrad ist immer kleiner als 1.

Darf man den Wirkungsgrad auch mit Leistungen statt Energien berechnen?

Ja: η = P_nutzbar / P_aufgewendet, denn die Zeit kürzt sich heraus.

Wie lautet die Energiebilanz von Aufwand, Nutzen und Verlust?

E_aufgewendet = E_nutzbar + E_verloren

Was versteht man unter dem Reibungsverlust?

Den Anteil der aufgewendeten Energie, der durch Reibung in Wärme umgewandelt wird und nicht mehr nutzbar ist: E_verloren = E_aufgewendet – E_nutzbar = |W_R|.
Eine Maschine erhält 800 J aufgewendet und liefert 620 J nutzbar. Wie gross sind Reibungsverlust und Wirkungsgrad?

E_verloren = 800 J – 620 J = 180 J; η = 620 J / 800 J = 0,775 = 77,5 %

In welchen drei Schritten berechnet man den Wirkungsgrad einer Energieumwandlung?

1. Aufgewendete Energie E_aufgewendet bestimmen. 2. Nutzbare Energie E_nutzbar bestimmen (z. B. m ⋅ g ⋅ h). 3. Nutzen durch Aufwand teilen: η = E_nutzbar / E_aufgewendet.

Auf ein Solarmodul (1,6 m²) fallen 1000 W pro m²; es liefert 320 W elektrische Leistung. Wie gross ist der Wirkungsgrad?

P_aufgewendet = 1000 W/m² ⋅ 1,6 m² = 1600 W; η = P_nutzbar / P_aufgewendet = 320 W / 1600 W = 0,20 = 20 % (realistisch für ein Solarmodul)

Ein Kran hebt eine Palette (m = 150 kg) um 12 m und verbraucht dafür 22 kJ elektrische Energie. Wie gross ist der Wirkungsgrad? (g = 10 m/s²)

E_nutzbar = m ⋅ g ⋅ h = 150 kg ⋅ 10 m/s² ⋅ 12 m = 18 kJ; η = E_nutzbar / E_aufgewendet = 18 kJ / 22 kJ = 0,82 = 82 %
Wie kombiniert man mehrere hintereinander geschaltete Wirkungsgrade?

Man multipliziert sie: η_gesamt = η₁ ⋅ η₂ – nie addieren. Der Ausgang der ersten Stufe ist der Eingang der zweiten.

Pumpspeicherkraftwerk: Hochpumpen mit η₁ = 86 %, Turbine mit η₂ = 90 %. Welcher Anteil der Energie kommt wieder als Strom heraus?

η_gesamt = η₁ ⋅ η₂ = 0,86 ⋅ 0,90 = 0,77 = 77 % (Addieren ergäbe 176 % – physikalisch unmöglich)

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