Aufgaben zur Energieübertragung mit einer Kraft (Mittelstufe)

(Physik Sekundarstufe I > Energie und Kraft)

1) Hochheben

Michael hebt eine 10kg schwere Kiste auf einen ein Meter hohen Tisch. Maria nimmt sich ein zwei Meter langes Brett und schiebt die Kiste auf einem kleinen Wagen nach oben und Anastasia hebt die Kiste mit einem Flaschenzug hoch (Siehe Bild).

a) Gib an mit welcher Kraft sie jeweils ziehen müssen.

b) Berechne wieviel Energie sie jeweils dazu brauchen.

2) Nach Oben

Schauinsland von Freiburg

Um auf den Schauinsland zu kommen, muss man ca. 1000 Höhenmeter überwinden. Wieviel Energie ist wohl dazu nötig? Reicht es, wenn du ein trockenes Brötchen isst? Das enthält ungefähr 1000kJ (=1000000J) Energie.

a) Berechne wieviel Energie braucht man braucht, um dich 1000m hochzuheben.

Die Energie des Brötchens wird nur zu 1/4 genutzt. Die restlichen 3/4 der Energie werden benutzt, um deinen Körper zu erwärmen.

b) Berechne wieviele Brötchen du essen musst, um auf den Schauinsland steigen.

3) Zange

Bei einer Kneifzange ist die Schneide ca. 1,5 cm vom Gelenk entfernt und der Griff ca. 9cm. Um einen Draht durchzuschneiden ist am Griff eine Kraft von 75 Newton nötig. Dabei bewegt sich die Griffe 6mm aufeinander zu, die Schneiden aber nur um 1mm.

a) Berechne wieviel Energie man beim Zusammendrücken in die Zange hineinsteckt und gib an wo diese Energie nach dem Durchschneiden des Drahts steckt.

b) Berechne mit welcher Kraft die Schneide auf den Draht drückt.

c) Erkläre was für einen Vorteil es bietet den Draht möglichst weit in die Schneide hineinzuschieben und den Griff möglichst weit Außen zu fassen.

4) Fahrrad fahren

Der Weg einer Kurbelumdrehung beträgt 1m bei 2m Fahrtweg.

Wenn Amanda morgens in die Schule fährt, kann sie sich entscheiden welchen Gang sie einlegt.
Nimmt sie einen kleinen Gang, so muss sie mit 50 Newton auf die Pedale drücken um mit einer mittleren Geschwindigkeit zu fahren. Bei jeder Kurbelumdrehung legt das Pedal einen Meter Wegstrecke zurück, aber sie fährt dabei zwei Meter weit.

a) Berechne wieviel Energie Amanda für eine Kurbelumdrehung braucht und wieviel Energie sie für eine Strecke von einem Meter und für einen Kilometer braucht.

b) Berechne mit welcher Kraft sich das Hinterrad von der Straße abdrückt.

Obwohl Amanda genauso schnell fährt, benutzt sie manchmal trotzdem einen großen Gang.

c) Gib an welchen Vorteil sie davon hat und welchen Nachteil. Gib an wieviel Energie sie nun für einen Meter Fahrt und für einen Kilometer Fahrt benötigt.

Mit dem größten Gang kommt sie bei einer Kurbelumdrehung 6 Meter weit.

d) Berechne mit welcher Kraft sie nun auf das Pedal drücken muss.

5) Fahrrad fahren II

Amanda sitzt auf ihrem Rad und mit 10 km/h zu fahren wird sie von Peter mit 12 Newton angeschoben.
Dann schiebt Peter nicht mehr und Amanda muss nun selbst treten, um mit dieser Geschwindigkeit weiter zu fahren.

Wenn Amanda in den kleinsten Gang schaltet, so fährt sie bei einer Kurbelumdrehung zwei Meter. Schaltet sie in den größten Gang, so kommt sie bei einer Kurbelumdrehung 6 Meter weit. Bei einer Kurbelumdrehung legt das Pedal einen Meter Wegstrecke zurück.

a) Berechne wieviel Energie Peter braucht, um Amanda 100 Meter weit zu schieben.

b) Bestimme wieviel Energie Amanda braucht, um 100 Meter weit zu fahren.

c) Mit welcher Kraft muss Amanda beim Fahren im kleinsten und im größten Gang gegen das Pedal drücken?

6) Laufen

Beim Laufen ist auch deswegen Energie nötig, weil man sich bei jedem Schritt leicht anhebt. a) Laufe an der Tafel mit einer Kreide entlang und entnehme der daraus entstandenen Linie, um welche Höhe du dich bei jedem Schritt anhebst. b) Wieviel Energie ist dafür bei jedem Schritt nötig? c) Wie weit kannst du nach dieser Rechnung mit der Energie einer Tafel Schokolade von ca. 2000 KiloJoule laufen? Der Körper kann allerdings nur ca. 1/4 der Energie auch auf die Bewegung umladen!

Étienne-Jules Marey: Gehender Mann ein Gewicht tragend, 1885

Laufen (2), 1883