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Kinetische Energie herleiten

Woher das Halb kommt und warum ausgerechnet v quadriert wird — in fünf Zeilen erklärt.

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Einstieg — Zwei Auffälligkeiten in einer Formel

Ekin = ½ · m · v² hast du im letzten Unterkapitel benutzt, ohne zu wissen, woher sie kommt. Zwei Dinge daran sind erklärungsbedürftig: Warum steht dort ein Halb? Und warum wird ausgerechnet v quadriert, m aber nicht?

Ein einziger Gedanke beantwortet beide Fragen.

  • Kernidee:Bewegungsenergie ist genau die Energie W, die eine Kraft einem ruhenden Körper zuführt, bis er die Geschwindigkeit v hat.
  • Plan:Genau diese Energie W rechnen wir jetzt aus.
v = 0 v F Beschleunigungsstrecke s
Die Ausgangssituation: ein ruhender Körper der Masse m, eine konstante Kraft F, eine Strecke s — am Ende die Geschwindigkeit v.
Merke

Herleitung Einstieg

Frage: Warum steht in der Formel für kinetische Energie ein Halb, und warum wird nur \(v\) quadriert?

Kernidee: Bewegungsenergie ist die Energie \(W\), die eine Kraft einem ruhenden Körper zuführt, bis er die Geschwindigkeit \(v\) hat.

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Erklärung — Die Herleitung Zeile für Zeile

Gebraucht werden nur drei bekannte Gleichungen.

  • Zugeführte Energie:W = F · s — konstante Kraft in Bewegungsrichtung.
  • Zweites Newtonsches Gesetz:F = m · a.
  • Beschleunigte Bewegung:v² = 2 · a · s — nur aus der Ruhe.

Herleitung:

  • Start:W = F · s.
  • Kraft ersetzen:F = m · a eingesetzt: W = m · a · s.
  • Umstellen:aus v² = 2 · a · s folgt a · s = ½ · v².
  • Einsetzen:W = m · ½ · v² = ½ · m · v².
  • Ergebnis:Die zugeführte Energie steckt danach als Bewegungsenergie im Körper: Ekin = W.
Merke

Kinetische Energie:

Ekin = ½ · m · v²

Idee: Die kinetische Energie ist gleich der Energie \(W\), die ein ruhender Körper durch eine Kraft bis zur Geschwindigkeit \(v\) erhält.

Bausteine: Verwendet werden \(W = F\cdot s\), \(F = m\cdot a\) und \(v^2 = 2\cdot a\cdot s\) (aus der Ruhe).

Deutung: Das Halb kommt daher, dass der Körper im Mittel nur halb so schnell ist und nur den halben Weg zurücklegt. \(v\) steckt in Kraft und Weg, deshalb \(v^2\). Die Masse steckt nur in der Kraft.

Der zweite Weg: ohne die Beschleunigung

Es geht auch ohne v² = 2 · a · s.

  • Werkzeug:Statt der Beschleunigung nutzt man die mittlere Geschwindigkeit.
  • Aus der Ruhe:Die Geschwindigkeit wächst gleichmäßig von 0 auf v.
  • Mittelwert:Im Mittel ist der Körper nur halb so schnell.

Herleitung:

  • Weg:s = v̄ · t = ½ · v · t.
  • Kraft:F = m · a = m · (v : t), denn aus der Ruhe gilt a = v : t.
  • Einsetzen:W = F · s = m · (v : t) · ½ · v · t.
  • Kürzen:t fällt weg: W = ½ · m · v² — die Zeit spielt keine Rolle.

Damit sind beide Fragen vom Anfang beantwortet.

  • Das Halb:Im Mittel ist der Körper nur halb so schnell wie am Ende — also nur der halbe Weg.
  • v im Quadrat:v steckt zweimal drin: einmal in der Kraft, einmal im Weg.
  • m einfach:Die Masse steckt nur in der Kraft, nicht im Weg.
  • Einheit:kg · (m/s)² = kg · m²s² = 1 J — passt.
Interaktiv

Woher kommt das Halb?

Ein Körper wird aus der Ruhe gleichmäßig beschleunigt. Das grüne Dreieck unter der Geraden im t-v-Diagramm ist der Weg s — das umgeklappte orange Dreieck zeigt, wie viel vom Rechteck v · t das grüne Dreieck einnimmt. Oben rechts steht die zugeführte Energie W.

Woher kommt das Halb?

Halte fest: Das umgeklappte obere Dreieck deckt das untere genau — der Weg ist also nur das halbe Rechteck, s = ½ · v · t. Mit F = m · v : t wird daraus W = F · s = ½ · m · v²; die Zeit t kürzt sich heraus. Die beiden Beispiele haben denselben Weg, aber verschiedene Energie: v steckt in der Kraft und im Weg.

Herleitungs-Trainer: Woher kommt ½ m v²?

In jeder Zeile führt einer von zwei Schritten zum nächsten Term. Zwei verschiedene Wege führen zum selben Ergebnis.

Beide Wege benutzen dieselbe Ausgangsgleichung W = F · s. Der Unterschied liegt nur darin, ob man zuerst die Kraft oder zuerst den Weg ersetzt. Das Halb entsteht in beiden Fällen aus derselben Quelle: Der Körper ist während der Beschleunigung im Mittel nur halb so schnell wie am Ende.

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Hinweise — Worauf du achten solltest

Drei Stolperstellen

Nur aus der Ruhe

Sonst gilt v² = 2 · a · s nicht. Mit Startgeschwindigkeit liefert die Rechnung die Änderung der Bewegungsenergie.

Konstante Kraft, Zeit egal

Die Herleitung setzt eine konstante Kraft voraus. Wie lange das Beschleunigen dauert, ändert die Energie nicht.

a · s ist nicht v

Aus v² = 2 · a · s folgt a · s = ½ v², nicht ½ v. Wurzel nicht vergessen.

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