Impuls und Energie
Die Geschwindigkeit zeigt an, wie viel Impuls ein Körper mit einer bestimmten Masse speichert. Die Geschwindigkeit steht aber auch für die Energiebeladung des entsprechenden Impulsstromes, d.h. die Geschwindigkeit ist das translationsmechanische Potenzial.
Ein unter Zug stehendes Seil transportiert umso mehr Energie je schneller es sich längs seiner eigenen Ausrichtung bewegt, d.h. der zugeordnete Energiestrom ist gleich Geschwindigkeit mal Stärke des Impulsstromes. Fällt ein Impulsstrom ein über ein Geschwindigkeitsdifferenz hinunter, wird eine Prozessleistung freigesetzt. Soll Impuls geschwindigkeitsmässig hinauf gefördert werden, muss Energie zugeführt werden. Geht man vom einzelnen Körper aus, wird die Impulsstromstärke zur Kraft und der zugeordnete Energiestrom zur Leistung einer Kraft. Eine Integration über die Zeit führt schlussendlich zum Begriff Arbeit einer Kraft
Lernziele
zugeordneter Energiestrom
Steht man vor einem gespannten Seil oder Riemen, darf die Richtung des Impulsstromes frei festgelegt werden. Wählt man die Bezugsrichtung nach rechts, fliesst der Impuls im Seil oder Riemen nach links (bei Zug fliesst der Impuls gegen die Bezugsrichtung). Nun bewege sich das Seil nach rechts, also vorwärts. Wir vermuten dann, dass der aktiven Teil, der Antrieb, auch auf dieser Seite des Seils oder des Riemens liegt. Diese Vermutung basiert auf einem grundlegenden Zusammenhang: der nach links fliessende Impulsstrom ist über die positive Geschwindigkeit mit einem Energiestrom beladen, der in die selbe Richtung fliesst. Bewegt sich das Seil nach links, also in die negative Richtung, fliesst die Energie gegen den Impuls, also nach rechts. Quantitativ ist der zugeordnete Energiestrom gleich dem Produkt aus Geschwindigkeit und Stärke des Impulsstromes
- [math]I_W=v_x I_{px}[/math]
Wie in der Elektrizitätslehre gilt dieser Zusammenhang zwischen Energie- und Trägerstrom auch bei Wechselstrom. Betrachten wir dazu einen Mann, der Holz zersägt. Zwischen Hand und Griff fliesst während des Sägens ein Impulswechselstrom. In der Stossphase fliesst der Impuls vorwärts, beim Ziehen strömt der Impuls gegen die Bezugsrichtung. Weil gleichzeitig die Geschwindigkeit der vom Impuls durchflossenen Teile das Vorzeichen wechseln, fliesst die Energie immer vom Säger an die Säge weg. Schauen wir uns den Vorgang noch etwas genauer an. Die positive Richtung zeige in Stossrichtung, also vom Mann gegen die Säge.
- Der Mann drückt mit seiner Handfläche gegen die Säge. Der Impuls strömt über Arm, Hand und Bügel bis zum vorderen Ende der Säge. Von dort fliesst der Impuls bis zur Schnittfläche zurück und dann über das Stück Holz weg. Sobald sich die Säge bewegt, wird der Impulsstrom in der Muskulatur des Armes mit Energie beladen. Die Energie fliesst dann als zugeordneter Energiestrom zusammen mit dem Impuls bis zur Schnittfläche.
- Der Mann zieht mit den Fingern an der Säge. Der Impuls strömt vom Boden oder über den andern Arm durch das Holzstück ins Sägeblatt. Im Sägeblatt fliesst der Impuls gegen die Hand, um dann über den Arm abgeleitet zu werden. Sobald sich die Säge gegen den Mann, also in negative Richtung bewegt, wird der Impulsstrom wieder im Arm mit Energie beladen. Nur fliesst diesmal die Energie gegen den Impuls bis zur Schnittfläche.
Die Säge benötigt einen Bügel, weil das Blatt nur auf Zug belastet werden darf, weil im Sägeblatt der Impuls nur rückwärts fliessen kann.
Prozessleistung
Ein Stossdämpfer wirkt als nichtlinearer Widerstand bezüglich des durchfliessenden Impulsstromes: die Relativgeschwindigkeit der beiden Halterungen hängt von der Stärke des Impulsstromes ab. Umgekehrt darf die Impulsstromstärke als eine Funktion der Relativgeschwindigkeit angesehen werden. Analog zur Elektrodynamik kann das Verhalten eines Stossdämfers in einem Strom-Spannungs- bzw. Kraft-Geschwindigkeitsdiagramm dargestellt werden. Weil das Produkt dieser beiden Grössen gleich der momentan umgesetzten Leistung ist
- Elektrodynamik: [math]P=UI[/math]
- Translationsmechanik: [math]P=\Delta v F[/math]
erscheint die Leistung in beiden Diagrammen als Rechteck. Obwohl Impulsstromstärke der korrektere Begriff ist, reden wir hier in Anlehnung an die Tradition von Kraft und von Kraft-Geschwindigkeits-Diagramm. Schneidet man den Stossdämpfer frei, ergeben sich immer zwei Kraftpfeile, die den als masselos gedachten Stossdämpfer andauernd im Gleichgewicht halten.