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Größen und Einheiten der Mechanik
Über den Begriff Einheit, die SI-Einheiten und die Energie als zusammengesetzte Größe
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Was sind Einheiten?
Im Physikunterricht lernst du im Laufe der Jahre viele Formeln kennen. Formeln sind Gleichungen, die physikalische Größen in einen Zusammenhang setzen. Ein einfaches Beispiel ist die Formel zur gleichförmigen Bewegung $s=v\cdot t$, die du sicher kennst. Darin tauchen drei physikalische Größen auf: die Strecke $s$, die Geschwindigkeit $v$ und die Zeit $t$. Nun weiß vermutlich jeder auf der Welt, was diese drei Größen bedeuten. Wenn es aber darum geht, diese Größen zu bestimmen, wirst du verschiedenste Antworten hören:
Ein US-Amerikaner würde die Strecke in Meilen oder Fuß messen. Gerade im Mittelalter gab es viele Einheiten. So war die Elle eine Einheit für die Strecke. Dabei handelte es sich um die Länge des Ellenbogenknochen des amtierenden Herrschers eines Landstriches. Entsprechend musste man beim Handeln sehr viel umrechnen. Als weiteres Beispiel sei das Volumen genannt. Dafür wird in der USA die Einheit Gallone verwendet, wohingegen für dich der Liter gebräuchlicher ist. Du siehst also, dass es verschiedene Einheiten gibt, um ein und dieselbe physikalische Größe zu beschreiben. Doch was ist eigentlich eine Einheit?
Physikalische Größen werden stets gemessen und messen bedeutet vergleichen. Wenn du eine Größe misst, etwa die Länge einer Straße, dann vergleichst du seine Länge mit einem standardisiertem Maßstab wie einem Meterstab. Wie oft passt der Meterstab hintereinander auf die Straße? Die Skala auf dem Meterstab wiederum gibt an, wie vielen Meter er entspricht, also wie viele Meter hintereinander auf den Stab passen. Wie lang genau ein Meter ist, wurde im Prinzip irgendwann einmal willkürlich festgelegt. So ist es mit allen Einheiten.
Damit in der Wissenschaft aber nicht jeder misst, wie er will, gibt es die SI-Einheiten. Dies sind die Grundeinheiten und Standardeinheiten, aus denen alle anderen Einheiten abgeleitet werden können. Darüber hinaus gibt es Präfixe wie Zenti, Milli oder Kilo. Diese bilden dann die Grundgrößen und Einheiten der Mechanik.
Die Energie
Die Energie ist ebenfalls eine physikalische Größe und obwohl sie in der Physik sehr wichtig ist, wirst du sie nicht bei den SI-Größen finden. Die Energie ist eine zusammengesetzte Größe und ihre Einheit lässt sich aus den Standardeinheiten ableiten.
Die Energie genießt in der Physik einen hohen Stellenwert, da sie immer erhalten ist. Der sogenannte Energieerhaltungssatz ist Grundlage vieler physikalischer Prozesse und bietet oft einen geeigneten Ansatz um physikalische Aufgabenstellungen zu lösen. Im Thema Differenzialgleichungen und komplexe Anwendungen von Arbeit, Energie und Leistung kannst du einige Aufgaben zur Energieerhaltung finden und dich selbst einmal darin überprüfen. Wichtig hierbei ist die Kenntnis verschiedener Energieformen und das Wissen, dass sie sich ineinander umwandeln können.
Auch im Alltag ist die Energie eine häufige Größe, etwa bei der jährlichen Strom- und Gasrechnung. Darin wird dein Energieverbrauch angegeben, was eigentlich irreführend ist, da Energie ja nicht verbraucht werden kann. Doch auch wenn der Begriff der Energie weitläufig bekannt ist, weiß kaum jemand was Energie ist und wie sie sich von physikalischer Arbeit unterscheidet. Du wirst dich also intensiv mit der Energieumwandlung und Energieerhaltung beschäftigen.
Arbeit und Leistung
Nachdem du nun verstanden hast, was Energie und Arbeit ist, kannst du dich der Leistung zuwenden. Die Leistung ist ein Maß dafür, wie viel Arbeit pro Zeit verrichtet wird. Wenn du etwa bei einem Umzug hilfst und eine Kiste in den zweiten Stock trägst, verrichtest du Arbeit. Ein sportlicher Freund von dir schafft es aber, dieselbe Kiste schneller in der zweiten Stock zu tragen. In diesem Fall hättet ihr beide die gleiche Arbeit verrichtet, aber dein Freund erbrachte mehr Leistung, weil er schneller war.
Im Alltag hört man den Begriff Leistung oft im Zusammenhang mit Autos. Die Leistung wird hier in PS gemessen, was ebenfalls keine Standardeinheit ist, denn diese ist Watt. Wenn ein Sportwagen es nun schafft, in 3 Sekunden auf 100 km/h zu beschleunigen, bringt er mehr Leistung als ein gleich schweres, schwächeres Auto, das dafür 10 Sekunden benötigt. Auch in diesem Fall haben beide Autos aber die gleiche Arbeit verrichtet. Darum geht es im Thema Energieumwandlung, Arbeit und Leistung im Prozess.