Diskussion:Arbeit (Physik)

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Einleitung neu

Auf Benutzer:Bleckneuhaus/Sandkasten bin ich weiter am Erneuern des Artikels. Die Einleitung möchte hiermit vorschlagen, viele der in der bisherigen Disk. genannten Punkte sind berücksichtigt. Wichtig ist mir: Es gibt zwei Begriffsbildungen, die klar benannt werden müssen. Bei der ersten geht es schnell zur Sache und zur Definition, die zweite wird besser verdeutlicht und nicht mehr als Definition bezeichnet. Bei der Anwendung von F mal s kommt es übrigens kein bisschen darauf an, ob die Kraft den Körper bewegt oder überhaupt die Bewegung verursacht, insofern sind viele "einfache" Formulierungsvorschläge nicht so ganz zielführend hier. Hier mein Entwurf:

Die Definition der rein mechanischen Arbeit in der Physik lautet $W=F\,\Delta s$ ("Arbeit ist gleich Kraft mal Weg", das Formelzeichen $W$ entsteht aus englisch work), wobei die Kraft $F$ auf einen Körper wirkt, der in Richtung dieser Kraft die Strecke  $\Delta s$ zurücklegt. Wirkt eine Kraft nicht genau parallel zum zurückgelegten Weg, ist für die Berechnung der Arbeit nur die zum Weg parallele Komponente zu berücksichtigen. Diese Definition entspricht der umgangssprachlichen Bedeutung von mechanischer Arbeit und ist auf alle mechanischen Vorgänge anwendbar, beim gleichzeitigen Einwirken mehrerer Kräfte auch für jede Kraft einzeln. Der Begriff der Arbeit ergibt sich daraus, dass einem Körper, der durch eine Kraft bewegt wird, die Energiemenge $W$ zugeführt wird, die nach dem mechanischen Energieerhaltungssatz dem physikalischen System entzogen wird, das die Kraft hervorbringt.

Neben dieser auf dem Kraftbegriff aufbauenden Definition der Arbeit gibt es eine zweite Begriffsbildung, die den gesamten Energieinhalt eines physikalischen Systems zur Grundlage nimmt. Der Energieinhalt $E$ kann sich nur dadurch ändern, dass von einem zweiten physikalischen System aus am ersten System Arbeit $W$ geleistet und/oder Wärme $Q$ übertragen wird. Für die Änderung  $\Delta E$ gilt $\Delta E=W+Q$ (allgemeiner Energieerhaltungssatz). Die Arbeit $W$ ermittelt sich dann daraus, welche Kräfte bei der Veränderung von äußeren Parametern des ersten Systems gewirkt haben und wie groß die jeweilige Veränderung war. Beispiele sind etwa das Anheben einer Last um eine Strecke, oder das Zusammendrücken der Luft in der Fahrradluftpumpe. Die Wärme $Q$ gibt die Energiemenge an, die allein aufgrund unterschiedlicher Temperaturen über die Systemgrenzen in das System hinein oder aus ihm herausfließt. Für die Anwendung dieses Arbeitsbegriffs muss außer dem Prozess auch die Grenze des betrachteten physikalischen Systems genau angegeben werden. Denn nur Kräfte, die von außerhalb eines Systems einwirken, können dessen Energie erhöhen oder erniedrigen, während innere Kräfte zwischen Teilen des Systems das nicht können. Wenn die Systemgrenzen geeignet festgelegt sind, ergibt für rein mechanische Vorgänge dieser allgemeinere Arbeitsbegriff dasselbe Ergebnis, das man mit der ersten genannten Definition für diejenige Arbeit erhält, die von der gesamten äußeren Kraft geleistet wird.

Dimension und SI-Einheit (Joule, $1\ \mathrm {J} =1\ \mathrm {N\,m} =1\ \mathrm {W\,s}$ sind für Arbeit, Wärme und Energie gleich. Negative Werte  zeigen an, dass die Arbeit $W$ vom System geleistet wurde bzw. die Energiemengen $\Delta E$ und $Q$ vom System abgegeben wurden. Ein System mit einer mechanischen Leistung $P$ verrichtet in der Zeitspanne $\Delta t$ die Arbeit $W=P\cdot \Delta t$.

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Kommentare bitte hier. --Bleckneuhaus (Diskussion) 21:57, 26. Nov. 2021 (CET)

Danke für Deine Mühe. Nach einem ersten schnellen Durchlesen Deines Entwurfs, kann ich aktuell keine Diskrepanzen zu meinem Verständnis des Begriffs finden. Ich sehe viele Verbesserung und sehe, dass Du ein Geschick für gute Formulierungen hast! Ich werde mir die nächsten Tage den Text noch einmal intensiver ansehen, glaube aber dass ich da nicht mehr rummeckern werde. Danke, Gruß und schönen Sonntag! ArchibaldWagner (Diskussion) 10:14, 28. Nov. 2021 (CET)

Hallo @Pyrrhocorax Siehst Du das auch positiv? --Bleckneuhaus (Diskussion) 16:14, 28. Nov. 2021 (CET)

Inhaltlich habe ich auch nichts auszusetzen. Ich finde dass die Einleitung so gut geworden ist. "Verbesserungsvorschläge" (aber vielleicht geht es da auch nur um den persönlichen Geschmack) betreffen dann höchstens einzelne Formulierungen. --Pyrrhocorax (Diskussion) 16:34, 28. Nov. 2021 (CET)

Danke, Pyrrhocorax! Meine Vorarbeiten im Sandkasten hab ich nun in den Artikel eingepflegt und vieles dabei umgeordnet. Mir scheint auch noch etwas Redundanz drin. Mal öfter draufgucken! --Bleckneuhaus (Diskussion) 17:36, 28. Nov. 2021 (CET)

"Jean-Victor Poncelet" – Anmerkung zur Geschichte

Im Baehr/Kabelac "Thermodynamik Grundlagen und technische Anwendungen" (16. Aufl. S 45) gilt Jean-Victor Poncelet (1788-1867) als der Urheber der Arbeitsbegriffs: ”...Das rechts stehende Integral, ..., bezeichnet man nach J. Poncelet als, die Arbeit W12 die von der Kraft F verrichtet wird...“. Wahrscheinlich ist das wie mit vielen Begriffen, letztlich kann man sie nicht eindeutig einem Urheber zuordnen, irgendwann greift der Gebrauch eines Wortes für ein bestimmtes Konzept um sich und das war für "travail" wohl in den 20-er Jahren des 19. Jahrhunderts in Frankreich der Fall. Jean Victor Poncelet hat offenbar mit "Introduction a la mécanique industrielle" von 1829 ein grundlegende Veröffentlichung zur technischen Anwendung der Mechanik geschrieben und dabei wohl das Wort "travail" systematisch benutzt, so wie wir es heute in der Physik gebrauchen. (vielleicht haben einige Zeit und Lust sich hier durchzuwühlen und das genauer zu klären: Cours de Mécanique industrielle Teil2 und Introduction a la mécanique industrielle, physique ou expérimentale 2. Aufl. von 1839). Ich denke, Jean-Victor_Poncelet verdient es, in dem Abschnitt Geschichte erwähnt zu werden. ArchibaldWagner (Diskussion) 22:41, 29. Mai 2022 (CEST)

Die im Artikel zitierte Diss von Moatti hat ein ganzes Kapitel dazu, dessen Beginn (S 126ff) ich hier schnell mal einfüge. (Leider ist mein Französisch erbärmlich-.)

PONCELET, CORIOLIS ET LA NOTION DE TRAVAIL Comme nous l’avons indiqué, nous pensons que Poncelet savait ses travaux très voisins de Coriolis, notamment sur la définition du travail, mais qu’il savait aussi pertinemment que Coriolis avait été plus loin que lui, avec des travaux plus précis et profonds. Bien que Coriolis ne le cite pas, c’est Poncelet qui s’est le plus approché de la définition que fait Coriolis du travail. Certains commentateurs attribuent d’ailleurs cette notion plutôt à Poncelet (Grattan-Guiness semble le faire, ou Maximilien Marie [1888]), certains autres l’attribuent aux deux savants à la fois, d’autres (comme Bélanger) l’ont attribué aux deux avant de l’attribuer au seul Coriolis. À supposer que ceci ait un intérêt, il est difficile de lever cette incertitude. Pour tenter de le faire, rappelons la chronologie des écrits de chacun : - 1826, mars : présentation à l’Académie et publication de la première partie du cours de Poncelet Cours de mécanique appliquée aux machines, professé… (rapport Dupin & Arago) ; publication pendant l’hiver 1826 [source Poncelet in Férussac 1829] ; rapport Dupin du 7 mai 1827 ; 2° édition 1828 « à quelques légers changements près entièrement conforme à celle de mars 1826 ». - août 1826, présentation par Coriolis de son mémoire à l’Académie. - 1829, mars, édition de la 2° partie du cours de Poncelet Cours de mécanique appliquée aux machines… - 1829, juin : Calcul de l’effet des machines, Coriolis. Poncelet, dans ses écrits ultérieurs, prend grand soin de montrer qu’il utilisait l’expression physique de travail mécanique dès 1826, au moins autant que l’expression « quantité d’action ». Il se justifie comme suit dans l’avant-propos de son Introduction à la mécanique industrielle : ....

Enthält das was zur Sache?

--Bleckneuhaus (Diskussion) 23:20, 29. Mai 2022 (CEST)

@Bleckneuhaus: danke für Deinen Hinweis! Meine Französisch Kenntnisse sind auch ziemlich dürftig, so dass ich hier mehr Zeit bräuchte, um das zu verstehen, obwohl es wissenschaftsgeschichtlich interessant ist. Ich denke, Alexandre Moatti findet auf S 130 die richtige Einschätzung: ”En fait le débat de paternité paraît assez inextricable, et somme toute d’un intérêt limité : les idées « sont dans l’air », et Coriolis comme Poncelet les expriment à leur manière. Les styles diffèrent. Poncelet s’exprime de manière plus littéraire– Coriolis quant à lui s’ex prime de manière littéraire en 1826 mais de façon beaucoup plus précise. En 1829, il ajoute la formulation mathématique à la précision, et rassemble ses idées dans une « théorie du travail » qui nous paraît absente chez Poncelet.“ Vielleicht kann man es im Artikel so umformulieren, dass es bei den Franzosen (Coriolis und Poncelet in ihren Bemühungen, die Theorien der Mechanik in der Praxis in großem Stil verfügbar zu machen) sozusagen in der Luft lag, und Coriolis es dann genau definierte. ArchibaldWagner (Diskussion) 11:12, 30. Mai 2022 (CEST)

Sehr einverstanden, tu das! --Bleckneuhaus (Diskussion) 11:32, 30. Mai 2022 (CEST)

Arbeit und "Energiebedarf" (wie heißt es richtig?) am Beispiel der U-Bahn

Wenn die Frage zu laienhaft ist, bitte archivieren (Zitat Archiv: "ist das hier für Lehrlinge oder Hochschule"?). Im Beispiel der U-Bahn verrichten die Antriebsmotoren 6.000 KJ. Welche Leistung (Watt) müssen die Antriebsmotoren haben?

• Problem 1: 6.000 KJ bezieht sich auf 100 Meter. Es wird einen Unterschied geben zwischen dem ersten Meter und dem letzten (Trägheit)?
• "Problem" 2: (K)J in Watt "umrechnen". Hier steht "1 MJ = 0,277 777… kWh". Wenn M für Mega steht, also 1.000.000, sind 6.000 KJ (TausendJoule) 6 MJ >>> mal 0,277 = 1,66 KW (1.662 Watt) pro Stunde (= 6.083 KW)?

--Wikiseidank (Diskussion) 10:41, 7. Mär. 2023 (CET)

Antwort zu beidem: bei der Leistung kommt es darauf an, wieviel Energie pro Zeit umgesetzt wird.

Aufgabe 1) mit den 6000 kJ kann man gemäß E=½mv² z.B. 10 Tonnen auf 34,6 m/s beschleunigen, oder 100 Tonnen auf 10,1 m/s. Letzteres dauert länger, benötigt weniger Leistung. Ohne Zusatzangaben ist die Aufgabe nicht lösbar

Aufgabe 2) 6 MJ = 6000 kJ = 6000 kW mal Sekunde = 1,666 kW mal Stunde (kWh) (bloß nicht "pro" Stunde!!). -- Wassermaus (Diskussion) 12:05, 7. Mär. 2023 (CET)

Wird oft nicht beachtet. Wichtiger Hinweis--H2OMy (Diskussion) 19:28, 7. Mär. 2023 (CET)

darstellung des gegenstands in einleitung und artikel undidaktisch und sachlich ungut!

da schüchterne (unzureichende) änderungsversuche ("masseREICH" war i.d.t. schlecht formuliert; "einen Körper mit einer Masse" wäre besser gewesen) einfach mal mit pauschalvermerken ("keine artikelverbesserung") revertiert werden (und ich z.z. keine zeit für fruchtlose debatten mit 'robusten' revertierern oder gar einen edit-war habe), verweise ich nur auf https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/arten-mechanischer-arbeit# , wo das thema didaktisch sensibel und sinnvoll (zunächst ohne mathematik) definiert und dann (mit wenig mathematik, und diese nur ergänzend) sukzessive sachlich gut nachvollziehbar differenziert wird, ohne den mathematisch aversen oder begrenzt gebildeten leser abzuschrecken. im artikel hier erscheinen die wichtigen arten von arbeit erst weit unten nach einem wust von formeln unter "spezialfälle"; grotesk!

die einleitende, allgemeine definition muss so formuliert sein, dass sie alle fälle von arbeit umfasst. die aktuelle formulierung "Dabei wirkt die Kraft auf einen Körper, der in Richtung dieser Kraft eine Strecke der Länge zurücklegt." ist unpräzise: wenn ich bergauf laufe und von hinten eine brise in bewegungsrichtung bläst, dann hat die kraft der brise substanziell nichts mit der strecke zu tun, die ich "zurücklege". es muss klar sein: der körper wird (passiv!) bewegt, und zwar ausschließlich von der kraft gegen einen widerstand (newtonisch: "aktion und reaktion", richtig?). und der folgende halbsatz: "Wirkt eine Kraft nicht genau parallel zum Weg..." scheint mir vollends falsch: die kraft wirkt nicht parallel, also neben der bewegungslinie, auf einer zweiten linie (def. von parallele), sondern genau in bewegungsrichtung, auf derselben linie.

abschließend: ein wikipedia-artikel ist - einleitend zumindest - kein wissenschaftlicher spezialaufsatz und schon garnicht die vorlesungsmitschrift eines fleißigen, höheren semesters ohne didaktisches talent... ich bitte sehr um verständnis. --HilmarHansWerner (Diskussion) 01:44, 20. Jan. 2025 (CET)

Du schreibst, dass Du keine Zeit für eine Debatte hättest. Warum stößt Du sie dann an? Man kann jederzeit über die Verbesserung eines Artikels sprechen und auch Du bist herzlich dazu eingeladen, aber mir scheint, dass Du die Materie nicht vollständig durchdrungen hast: Deine Behauptung mit dem Rückenwind ist sehr unscharf formuliert: Wenn Du damit meinst, dass der Rückenwind keinen Beitrag zur Arbeit leiste, dann liegst Du völlig falsch, wie Dir jeder Radfahrer bestätigen kann. Ob die Bewegung aktiv oder passiv erfolgt, ist für die Berechnung der Kraft unerheblich (Der Unterschied besteht nur darin, aus welcher Energiequelle die Arbeit gespeist wird). Dass die Arbeit gegen einen "Widerstand" (wie Du es nennst) erfolgen muss, bedarf keine Erwähnung, weil nach Newton III jede Kraft (actio) eine Gegenkraft (reactio) hat. Außerdem irrst Du Dich, was die Parallelität von Kraft und Weg anbetrifft: Bei einem Segelschiff greift die Kraft des Windes am Segel hoch über der Wasserlinie an. Der Rumpf des Schiffes bewegt sich parallel dazu durchs Wasser. Hat nun der Wind keine Arbeit am Schiffsrumpf verrichtet? (Übrigens ist der Begriff "Parallelität" ein Überbegriff, der "Kollinearität" einschließt).

Dennoch kann ich in Teilen Deine Kritik nachzuvollziehen. Auch ich finde, dass der rote Faden in diesem Artikel ein paar Knoten hat. Beispielsweise sind die "Spezialfälle" am Ende viel näher an dem Artikelgegenstand als die Überlegungen im Abschnitt "Entwicklung des Begriffs". Aber andererseits sprechen sachlogische Argumente dafür, den Begriff zunächst sauber zu definieren, bevor man Spezialfälle betrachtet. Das Spannungsfeld zwischen Sachlogik und Didaktik ist immer wieder Stein des Anstoßes für Diskussion zu Artikeln über wissenschaftliche Themen und es lässt sich nur selten ein Weg finden, der alle Geschmäcker zufrieden stellt. --Pyrrhocorax (Diskussion) 07:22, 20. Jan. 2025 (CET)