Was ist Gravitationspotentielle Energie?
Gravitationspotentielle Energie (GPE) ist die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Höhe über einem Referenzpunkt speichert.
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Masse | m | kg |
| Erdbeschleunigung | g | N/kg (≈ 9,81 ≈ 10) |
| Höhe | h | m |
| GPE | E_p | Joule (J) |
Gravitationspotentielle Energie
GPE ist proportional zu Masse, Schwerkraft und Höhe.
Ein 5-kg-Buch liegt auf einem Regal in 1,2 m Höhe. Bestimme seine GPE (g = 10 m/s²).
Umwandlung GPE ↔ Kinetische Energie
Wenn ein Objekt fällt, wird GPE in kinetische Energie umgewandelt:
Ein 2-kg-Ball fällt aus einer Höhe von 5 m. Wie schnell ist er beim Aufprall?
Der Referenzpunkt für h = 0 ist frei wählbar. Nur Änderungen der Höhe sind physikalisch bedeutsam.
Praxisbezug: Achterbahn-Abfahrt
Ein Achterbahnwagen mit Passagieren hat eine Gesamtmasse von 600 kg. Er wird auf die Höhe von 40 m gehoben.
Gespeicherte GPE:
Am Tiefpunkt (ohne Reibung) ist alles in KE umgewandelt: (ca. 100 km/h).
Praxisbezug: Wasserkraftwerk
Das Wasser eines Stausees liegt 80 m oberhalb der Turbinen. Pro Sekunde fließen 500 kg durch.
Umgewandelte GPE pro Sekunde:
Diese Energie treibt die Turbinen an. Je höher der Staudamm, desto mehr Energie steht pro Kilogramm Wasser zur Verfügung.
Praxisbezug: Aufzug fährt nach oben
Eine Aufzugkabine mit Passagieren (750 kg) fährt 30 m hoch.
Mindestenergie:
Der Elektromotor muss mindestens diese Energie liefern — zuzüglich Verluste durch Reibung und Seilgewicht.
Wo begegnest du das im Alltag? Achterbahnen, Wasserkraftwerke, Skilifte und Wassertürme — sie alle nutzen Höhe als natürlichen Energiespeicher (gravitationspotentielle Energie).
Übungsaufgaben
Ein 3-kg-Gegenstand wird auf 4 m Höhe gehoben (g = 10 m/s²). Wie groß ist seine GPE?
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Ein Ball mit m = 1 kg fällt von 20 m Höhe (g = 10 m/s²). Bestimme seine Geschwindigkeit beim Aufprall.
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Wenn ein Kind (30 kg) auf einer 3 m hohen Rutsche sitzt, wie groß ist seine GPE?