Arbeit (Physik) • Einheit, Formel, Definition einfach erklärt (2024)

Die physikalische Größe ‚Arbeit‘ ist dir bestimmt schon einmal begegnet. Wie sie definiert ist, wie du sie berechnest und welche Arten du unterscheidest, erfährst du hier. Kurz und verständlich haben wir es auch in unserem Video erklärt.

Arbeit einfach erklärt

Wenn du in der Physik von Arbeit sprichst, ist immer ein Energieunterschied gemeint. Die Arbeit ist die Veränderung der Energiemenge in einem System.

Arbeit tritt immer dann auf, wenn Energie zugeführt oder abgegeben wird. Das Formelzeichen der Arbeit ist W.Die Arbeit W wird in der Einheit Joule angegeben.

Sie berechnet sich so: Die Arbeit W ist die am Schluss vorhandene Energie E_nachher minus die Anfangsenergie E_vorher.

W = E_nachher — E_vorher

Was ist Arbeit?

Du sprichst von Arbeit, wenn sich die Energiemenge in einem System verändert. Energie kann nicht entstehen oder verschwinden. Das besagt der Energieerhaltungssatz. Du kannst sie einem System allerdings von außen zufügen oder entnehmen.Wenn das passiert, wird Arbeit verrichtet.

Wenn du ein Spielzeugauto aus der Ruhe anschiebst, führst du ihm Bewegungsenergie zu. Du hast die Energiemenge des Systems ‚Spielzeugauto‘ also erhöht und somit Arbeit verrichtet.

Die Menge der verrichteten Arbeit ist dabei genauso hoch wie die Größe der Energieänderung.Je mehr Energie dem System also zugeführt oder entnommen wird, desto größer ist die geleistete Arbeit.

Bedeutung des Vorzeichens

Wenn die Energie in einem System zunimmt, ist der Wert der Arbeit positiv. Dann sprichst du davon, dass an dem System Arbeit verrichtet wurde.

An dem System ‚Stein‘ wird zum Beispiel Arbeit verrichtet, wenn du ihn vom Boden aufhebst und in eine Schale legst. Dabei erhöht sich nämlich seine Lageenergie (potentielle Energie).

Nimmt die Energie in einem System aber ab, so ist der Wert der Arbeit kleiner als Null. Das bedeutet er ist negativ. In dem Fall sagst du: „Das System hat Arbeit verrichtet“.

Das System ‚Stein‘ verrichtet beispielsweise Arbeit, wenn es mithilfe eines Flaschenzugs einen anderen Gegenstand anhebt.

Arbeit Formel

Wenn entlang des Wegs s eine Kraft F wirkt, kannst du die Arbeit soberechnen: Die Arbeit W ist die Kraft F mal die Strecke s.

W = F • s

Das gilt aber nur, wenn die Kraft F konstant ist. Das bedeutet, sie darf sich über den Verlauf der Strecke nicht verändern.

Auch wenn die Kraft nicht exakt entlang der Strecke wirkt, kannst du die Formel so nicht verwenden. Als Kraft F setzt du dann nämlich nur die Komponente ein, die in Wegrichtung zeigt.

Arten von Arbeit

So wie Energie kann auch Arbeit in verschiedenen Erscheinungsformen auftreten. Das sind zum Beispiel die Beschleunigungsarbeit, die Hubarbeit und die Spannarbeit.

Beschleunigungsarbeit

Für die Beschleunigungsarbeit verwendest du die Formel Arbeit W ist F mal s. Beschleunigungsarbeit wird verrichtet, wenn sich die Bewegungsenergie in einem System verändert.

Zum Beispiel leistest du Beschleunigungsarbeit, wenn du ein Spielzeugauto anstößt oder abbremst.

Hubarbeit

Mithilfe der Hubarbeit wird die potentielle Energie verändert. Sie tritt auf, wenn du beispielsweise Gegenstände auf ein Regal hebst oder selbst einen Berg erklimmst.

Hier spielt nicht die Strecke sondern der überwundene Höhenunterschied eine Rolle. Deswegen lautet die Formel: Arbeit W ist Kraft F mal Höhendifferenz .

Spannarbeit

Auch beim Spannen einer Sprungfeder wird Arbeit verrichtet. Das liegt daran, dass dabei die Spannenergie verändert wird.

Die Veränderung, also die Spannarbeit, berechnest du so: Arbeit W ist die Spannenergie nachher (E_{spann,nachher}) minus die Spannenergie vorher (E_spann,vorher).

Die Spannenergie berechnet sich aus der halben Federhärte D mal die Strecke s, um die die Feder gedehnt wurde, zum Quadrat. Wird die Feder aus der Ruhelage gespannt, ist die Strecke s_vorher gleich Null. In dem Fall kann für die Spannenergie also die Formel W ist einhalb mal D mal s zum Quadrat verwendet werden.

Elektrische Arbeit

Darüber hinaus kann auch mithilfe von elektrischer Energie Arbeit verrichtet werden. Dabei sprichst du von elektrischer Arbeit. Wie du sie berechnest und was du sonst über sie wissen musst, erfährst du im nächsten Video.

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