Die Spannenergie entsteht aufgrund der elastischen Verformung einer Metallfedern. Sie ist eine Form potenzieller Energie und gibt an, wie viel mechanische Arbeit beim Belasten oder Spannen der Metallfeder entsteht. Um mechanische Arbeit zu verrichten, wird mechanische Energie benötigt. Diese ist überall in unserem Alltag zu finden: Ein Verbrennungsmotor wandelt die chemische Energie im Treibstoff durch Verbrennung in mechanische Bewegungsenergie um, ein Elektromotor erzeugt mechanische Energie aus elektrischer Energie und eine Metallfeder speichert mechanische Energie in Form von Spannenergie, wenn sie belastet wird. Neben der Spannenergie kann man noch weitere Arten mechanischer Energie entdecken:
- Jeder Körper hat aufgrund seiner Masse im Gravitationsfeld der Erde eine potenzielle Energie (Lage- oder Höhenenergie). Sie bewirkt beispielsweise den freien Fall.
- Bewegt sich ein Körper über eine Oberfläche, entsteht durch den Reibungswiderstand Wärme und damit Reibungsenergie.
- Je schneller ein Körper bewegt wird, desto höher ist die kinetische Energie, auch Bewegungsenergie genannt.
- Führt der Körper eine Kreisbewegung aus, liegt Rotationsenergie vor.
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Umwandlung von mechanischer Energie bei Metallfedern
In einer belasteten Metallfeder steckt mechanische Energie in Form von Spannenergie. Diese Spannenergie wird bei Entlastung freigesetzt. Liegt dabei beispielsweise ein Ball vor der Metallfeder, setzt sie diesen in Bewegung. Die Spannenergie der Metallfeder lässt sich also nutzen, um andere Körper zu beschleunigen. Sobald die Beschleunigungsarbeit geleistet wurde besitzt der Ball kinetische Energie. Nach dem Energieerhaltungsgesetz geht die Energie dabei nicht verloren, sie wird nur umgewandelt. Diese Umwandlung von mechanischen Energieformen ist die Grundlage aller Vorgänge in der Mechanik. In einem nicht perfekten System (natürliche Umgebung) geht diese kinetische Energie des Balls jedoch während der Bewegung durch Reibungskräfte und den Luftwiderstand bis auf den Wert Null verloren.
Berechnung der Spannenergie
Die Spannenergie wird in einer Metallfeder im gespannten Zustand gespeichert. Sie hängt vom belasteten Federweg s (mm) der Metallfeder und der Federkonstante R (N/mm) ab.
Dabei gilt für Metallfedern:
- Die Federkonstante R (N/mm) gibt die härte der Metallfeder an
- Die Spannenergie ESpann ist proportional zur Federkonstante R (N/mm): ESpann ~ R
- Die Spannenergie ESpann ist proportional zum Quadrat des Federwegs s (mm): ESpann ~ s²
Formel für Spannenergie:
ESpann=12·R·s2
Um die Federkonstante R (N/mm) für Flach- und Formfedern in einem Belastungsversuch (zur einwirkenden Kraft F wird jeweils der Federweg s gemessen) zu ermitteln, gilt folgende Formel:
R=F2 – F1 · s2 – s1
F1 = Federkraft vorbelastet
s1 = Federweg vorbelastet
F2 = Federkraft belastet
s2 = Federweg belastet
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