Energie / Energieerhaltung

Das Formelzeichen der Energie ist meist E, manchmal wird sie auch mit W (Work) abgekürzt. Die Arbeit W kann als Energieunterschied (Enach-Evor) angesehen werden. Wenn man den Ausgangszustand als 0 definiert, sind E und W gleich. Die SI-Einheit ist J (Joule). Je nach Kontext werden aber auch Ws (Wattsekunde); Nm oder eV (Elektronenvolt) verwendet. 
Es gibt viele verschiedene Definitionen der Energie, beispielsweise kann sie als "Maß eine Wirkung zu erzielen" gesehen werden. In der Mechanik bedeutet dies die Fähigkeit Arbeit zu leisten, z.B. etwas gegen eine Kraft zu bewegen. Daraus leitet sich folgende allgemeine Formel ab:

Richard Feynman 1918-1988

Physik-Nobelpreis 1965

„Es ist wichtig, einzusehen, dass wir  in der heutigen Physik nicht wissen, was Energie ist“

Lageenergie

Ganz allgemein ist die potenzielle Energie (Lageenergie), die Energie die ein Körper durch die Lage in einem Kraftfeld besitzt. In der Mechanik ist die Lage im Gravitationsfeld (der Erde) von zentraler Bedeutung. Das heißt, hier wirkt die Gewichtskraft (FG = m g) und der zurückgelegte Weg ist die Höhe h:  

Je höher sich ein Körper befindet und je größer seine Masse ist, desto größer ist sein potenzielle Energie. 

Bewegungsenergie

Die kinetische Energie (Bewegungsenergie), ist die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Bewegung erhält. Sie entspricht der Energie die aufgewendet werden muss, um den Körper aus dem Ruhezustand auf die Geschwindigkeit v zu beschleunigen. Dabei ist die Kraft (F=ma) und der zurückgelegte Weg (s=1/2at2):

Eine Verdopplung der Geschwindigkeit entspricht einer 4-fachen Energie. 

Spannenergie

Die Spannenergie, ist die Energie, die in der Verformung eines elastischen Materials (Feder) gespeichert ist. Wenn die Kraft die zur Auslenkung der Feder benötigt wird proportional zur Auslenkung ist kann sie mit dem Hookschen Gesetz beschrieben werden, wobei die Federkonstante D der Proportionalitätsfaktor ist.:

Damit ergibt sich für gespeicherte Energie:

Achtung!: Die Kraft F ist während der Auslenkung der Feder nicht konstant, sondern steigt mit zunehmender Auslenkung (Hooksches Gesetz). Im Durchschnitt beträgt sie die Hälfte der maximal aufgewendeten Kraft.  

Energieerhaltung

Die Energie ist eine Erhaltungsgröße, das heißt, dass sie weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Sie kann nur in andere Energieformen umgewandelt werden. Die Gesamtenergie in einem System bleibt also immer konstant: