MINT lernen

Weitere Energieumwandlungen

Beim Bremsen wird Bewegungsenergie entwertet, im Elektroauto wird elektrische Energie zu Bewegungsenergie – und beim Bremsen teilweise zurück.

1

Bremsen — Bewegungsenergie wird innere Energie

Fünfte große Anwendungsaufgabe — diesmal mit einer Einbahnstraße für die Energie.

In den Unterkapiteln 1.4.1 bis 1.4.4 wanderte die Energie immer hin und her — beim Bremsen ist das anders.

  • Beim Bremsen:Ein Auto, das von 50 km/h zum Stehen kommt, hat seine Bewegungsenergie nicht verloren.
  • Wohin sie geht:Sie steckt danach als Wärme in den Bremsscheiben, in den Reifen und in der Fahrbahn.
  • Einbahnstraße:Zurückholen kann man diese Energie nicht mehr.
  • Neu hier:Eine Kraft nimmt der Bewegung Energie weg; die Formel dazu heißt E = F · s.
  • Anwendung:Damit lässt sich etwas sehr Praktisches berechnen — der Bremsweg eines Autos.
  • Überraschung:Doppelt so schnell ist nicht doppelt so gefährlich, sondern viermal.
Merke

Bremsen: Energie geht nicht zurück

Bremsen: Die Bewegungsenergie ist nicht verloren, sondern steckt danach als Wärme in Bremsscheiben, Reifen und Fahrbahn. Zurückholen kann man sie nicht.

Kraft: Eine Kraft nimmt der Bewegung Energie weg: \( E = F \cdot s \).

Tempo: Doppelte Geschwindigkeit bedeutet nicht doppelte, sondern vierfache Gefahr.

2

Lösungsweg — Eine Kraft entlang einer Strecke

Die erste Aufgabe, bei der die Energie am Ende nicht mehr nutzbar ist.

Merke

Gegeben in dieser Aufgabe:

m = 1200 kg  ·  v = 50 km/h  ·  F = 9400 N

m: Masse des Autos: 1200 kg.

v: Geschwindigkeit zu Beginn des Bremsvorgangs: 50 km/h.

F: Bremsende Reibungskraft: 9400 N auf trockener Fahrbahn.

Wirkung: Die Kraft wirkt entlang des gesamten Bremswegs bis zum Stillstand.

g: Ortsfaktor auf der Erde: 9,81 N/kg.

Ansatz: Am Anfang steckt alles in der Bewegungsenergie, am Ende steht das Auto. Es gilt \( \tfrac12 \cdot m \cdot v^2 = F \cdot s \).

Energieentwertung: Die rechte Seite ist keine Energieform, die man wieder herausholen kann. Als innere Energie verteilt sie sich auf Bremsen, Reifen, Straße und Luft.

Zu diesem Bremsvorgang gehören fünf Teilfragen:

  • a)Welche Bewegungsenergie hat das Auto zu Beginn des Bremsvorgangs?
  • b)Wie lang ist der Bremsweg?
  • c)Wie lang wäre der Bremsweg bei 100 km/h?
  • d)Der Fahrer reagiert eine Sekunde lang — wie lang ist der gesamte Anhalteweg bei 50 km/h?
  • e)Ein Elektroauto gewinnt 65 % der Energie zurück — wie viel wird trotzdem entwertet?
Merke

Eine Kraft entlang einer Strecke nimmt Energie weg:

E = F · s

E: Weggenommene Energie in Joule (J): die durch Reibung entwertete Energie.

F: Bremsende Kraft in Newton (N).

s: Strecke in Metern (m), entlang der die Kraft wirkt.

Umgestellt: Nach der Strecke aufgelöst gilt s = E : F.

Der Ansatz ist derselbe wie immer — nur das Ergebnis ist diesmal nicht mehr nutzbar.

  • Am Anfang:Alles steckt in der Bewegungsenergie des Autos.
  • Am Ende:Die Bewegungsenergie ist vollständig weg, das Auto steht.
  • Die Gleichung:Also gilt ½ · m · v² = F · s.
  • Der Unterschied:Die rechte Seite ist keine Energieform, die man wieder herausholen kann.
  • Innere Energie:Sie verteilt sich gleichmäßig auf Bremsen, Reifen, Straße und Luft.
  • Fachbegriff:Diesen Vorgang nennt man Energieentwertung.

Wagen A und Wagen B fahren gleichzeitig los, reagieren gleich schnell und bremsen gleich stark (7,5 m/s²) — nur ihr Tempo ist verschieden. Der orange Balken ist der Reaktionsweg, der blaue der Bremsweg; wo der Balken über das Hindernis hinausragt, kracht es.

Zwei Wagen, ein Hindernis

Halte fest: Zehn km/h mehr verlängern nicht nur den Reaktionsweg ein wenig, sondern den Bremsweg im Quadrat — und der Wagen, der bei 50 km/h gerade noch steht, trifft bei 60 km/h mit rund 32 km/h auf, weil die zusätzliche Bewegungsenergie auf derselben Strecke nicht mehr abgebaut werden kann.

3

Elektroauto — Elektrische Energie und Bewegungsenergie

Beim Elektroauto läuft die Umwandlung in beide Richtungen — aber nicht vollständig.

Ein Elektroauto speichert die Energie für die Fahrt als elektrische Energie in seinem Akku.

  • Beschleunigen:Der Elektromotor wandelt elektrische Energie aus dem Akku in Bewegungsenergie um.
  • Aus dem Akku:Entnommen wird die elektrische Energie Eel = U · I · t.
  • Idealisiert:Geht bei der Umwandlung nichts verloren, gilt U · I · t = ½ · m · v².
  • In Wirklichkeit:Ein kleiner Teil wird schon beim Beschleunigen zu innerer Energie in Motor, Kabeln und Akku.

Beim Bremsen kann das Elektroauto einen Teil der Bewegungsenergie zurückholen.

  • Rekuperation:Die Räder treiben den Motor an, er bremst das Auto und lädt dabei den Akku wieder auf.
  • Nur ein Teil:Meist kommt etwa die Hälfte bis zwei Drittel der Bewegungsenergie als elektrische Energie im Akku an.
  • Der Rest:Er wird zu innerer Energie in Motor, Akku, Reifen und Luft — auch hier wird Energie entwertet.
  • Energiebilanz:Bewegungsenergie = zurückgewonnene elektrische Energie + innere Energie.
  • Vergleich:Die normale Bremse aus Phase 1 macht die gesamte Bewegungsenergie zu innerer Energie, nichts davon kommt zurück.
Merke

Elektroauto: Energie hin und teilweise zurück

U · I · t = ½ · m · v²

Beschleunigen: Idealisiert wird die elektrische Energie aus dem Akku vollständig zu Bewegungsenergie.

Rekuperation: Beim Bremsen wird nur ein Teil der Bewegungsenergie wieder zu elektrischer Energie, der Rest zu innerer Energie. Die normale Bremse entwertet die gesamte Bewegungsenergie.

4

Allgemeine Hinweise

Erst km/h in m/s umrechnen

In ½ · m · v² gehören m/s hinein. Aus 50 km/h werden durch Teilen mit 3,6 rund 13,9 m/s — wer 50 einsetzt, rechnet ein völlig falsches Ergebnis aus.

Rekuperation holt nie alles zurück

Auch ein Elektroauto lädt beim Bremsen nur einen Teil der Bewegungsenergie zurück in den Akku. Der Rest wird immer zu innerer Energie – sonst könnte es ohne Nachladen endlos fahren.

Anhalteweg hat zwei Teile

Während der Reaktionssekunde fährt das Auto ungebremst weiter. Erst Reaktionsweg plus Bremsweg ergeben den Anhalteweg.

Videos zu Bremsweg und Anhalteweg