Die kinetische Energie (von altgriechisch κίνησις kínēsis, deutsch ‚Bewegung‘) oder auch Bewegungsenergie oder selten Geschwindigkeitsenergie ist die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Bewegung enthält. Sie entspricht der Arbeit, die aufgewendet werden muss, um das Objekt aus der Ruhe in die momentane Bewegung zu versetzen. Sie hängt von der Masse und der Geschwindigkeit des bewegten Körpers ab.

Als Formelzeichen für die kinetische Energie wird häufig ${\displaystyle T}$ oder ${\displaystyle E_{\mathrm {kin} }}$ verwendet. Die SI-Maßeinheit der kinetischen Energie ist das Joule.^[1]

Das Konzept der kinetischen Energie als eine Größe, die bei elastischen Stößen und vielen anderen mechanischen Vorgängen erhalten bleibt, wurde als vis viva (‚Lebendige Kraft‘) von Gottfried Wilhelm Leibniz eingeführt, der darin in Streit mit den Anhängern von René Descartes die korrekte Erhaltungsgröße in der Mechanik sah (1686). Diese Größe war allerdings um den Faktor 2 größer als die heute gültige kinetische Energie. Der Faktor ¹⁄₂ in der Formel für die kinetische Energie findet sich schon 1726 bei Daniel Bernoulli.^[2] Das eigentliche Energiekonzept bildete sich aber erst im 19. Jahrhundert heraus, insbesondere in der Schule der angewandten Mathematik in Frankreich und mit dem Aufkommen der Thermodynamik. In der Mechanik des 18. Jahrhunderts, deren Hauptuntersuchungsgegenstand die Himmelsmechanik war, spielte es noch keine große Rolle.^[3]

Kinetische Energie in der klassischen Mechanik

Kinetische Energie in der relativistischen Mechanik

In der relativistischen Physik gilt die oben angegebene Abhängigkeit der kinetischen Energie von der Geschwindigkeit nur näherungsweise für Geschwindigkeiten deutlich kleiner als die Lichtgeschwindigkeit. Aus dem Ansatz, dass die kinetische Energie ${\displaystyle E_{\mathrm {kin} }}$ die Differenz aus Gesamtenergie und Ruheenergie ist, folgt:

${\displaystyle E_{\mathrm {kin} }=\gamma mc^{2}-mc^{2}=\left(\gamma -1\right)mc^{2}}$

Dabei ist ${\displaystyle c}$ die Lichtgeschwindigkeit, ${\displaystyle m}$ die Masse und ${\displaystyle \gamma }$ der Lorentzfaktor

${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-(v/c)^{2}}}}.}$

Aus der Taylor-Entwicklung nach ${\displaystyle v/c}$ erhält man

${\displaystyle E_{\mathrm {kin} }={\frac {1}{2}}mv^{2}+{\frac {3}{8}}{\frac {mv^{4}}{c^{2}}}+\cdots }$,

also für ${\displaystyle v\ll c}$ wieder die Newtonsche kinetische Energie.

Da die Energie über alle Grenzen wachsen müsste, wenn die Geschwindigkeit gegen die Lichtgeschwindigkeit geht, ${\displaystyle \lim _{v\to c}E_{\mathrm {kin} }=\infty ,}$ ist es nicht möglich, einen massebehafteten Körper auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen.

Das Diagramm rechts zeigt für einen Körper mit der Masse von ${\displaystyle m=1\,\mathrm {kg} }$ die relativistische und die Newtonsche kinetische Energie als Funktion der Geschwindigkeit (gemessen in Vielfachen der Lichtgeschwindigkeit).

Da die Geschwindigkeit eines bewegten Körpers vom Bezugssystem abhängt, gilt dies auch für dessen kinetische Energie. Das gilt in Newtonscher und in relativistischer Physik.

Anwendungsbeispiele

Im elektrischen Feld nimmt die Energie eines Elektrons der Ladung ${\displaystyle e}$ und der Masse ${\displaystyle m}$ linear mit der durchlaufenen Beschleunigungsspannung ${\displaystyle U}$ zu. Die kinetische Energie ist nun die Differenz der relativistischen Gesamtenergie ${\displaystyle E}$ und der Ruheenergie ${\displaystyle E}$₀.^[4] Die kinetische Energie ${\displaystyle eU}$ ist also:

${\displaystyle e\cdot U=E-E_{0}}$

Beachtet man, dass für die Gesamtenergie

${\displaystyle E^{2}=c^{2}p^{2}+E_{0}^{2}\quad (*)}$

gilt ( ${\displaystyle p}$: relativistischer Impuls) und zwischen Impuls und Gesamtenergie der Zusammenhang

${\displaystyle cp=E\cdot {\frac {v}{c}}}$

besteht, folgt für die Gesamtenergie aus ${\displaystyle (*)}$ also:

${\displaystyle E(v)={\frac {E_{0}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}}$

Berechnet man nun die Differenz aus ${\displaystyle E(v)}$ und ${\displaystyle E_{0}}$, setzt den Ausdruck gleich ${\displaystyle e\cdot U}$ und löst nach ${\displaystyle v}$ auf, erhält man abschließend:

${\displaystyle v=c\cdot {\sqrt {1-{\left({\frac {1}{1+{\frac {eU}{E_{0}}}}}\right)}^{2}}}}$ mit der Ruheenergie eines Elektrons ${\displaystyle E_{0}=0{,}51\,\mathrm {MeV} }$

Bei Beschleunigungsspannungen unterhalb 1 kV lässt sich die Geschwindigkeit aus dem klassischen Ansatz für die kinetische Energie abschätzen, bei höheren Energien muss relativistisch gerechnet werden. Bereits bei einer Spannung von 10 kV erreichen die Elektronen eine Geschwindigkeit von fast 20 % der Lichtgeschwindigkeit, bei 1 MV 94 %.

Der Large Hadron Collider führt Protonen eine kinetische Energie von 6,5 TeV zu. Diese Energie ist etwa 8 tausend Mal größer als die Ruheenergie eines Protons. Bei einer Kollision zwischen entgegengesetzt beschleunigten Protonen können Teilchen mit einer entsprechend hohen Ruheenergie entstehen.

Kinetische Energie in der Quantenmechanik

In der Quantenmechanik ist der Erwartungswert ${\displaystyle \langle {\hat {E}}_{\mathrm {kin} }\rangle }$ der kinetischen Energie eines Teilchens der Masse ${\displaystyle m}$, welches durch die Wellenfunktion ${\displaystyle \vert \psi \rangle }$ beschrieben wird, gegeben durch

${\displaystyle \langle {\hat {E}}_{\mathrm {kin} }\rangle ={\frac {1}{2m}}\langle \psi |{\hat {P}}^{2}|\psi \rangle }$,

wobei ${\displaystyle {\hat {P}}^{2}}$ das Quadrat des Impulsoperators des Teilchens ist.

Im Formalismus der Dichtefunktionaltheorie ist nur vorausgesetzt, dass die Elektronendichte bekannt ist, das heißt, dass die Wellenfunktion formal nicht bekannt sein muss. Mit der Elektronendichte ${\displaystyle \rho (\mathbf {r} )}$ ist das exakte Funktional der kinetischen Energie für ${\displaystyle N}$ Elektronen unbekannt; falls jedoch im Fall ${\displaystyle N=1}$ ein einzelnes Elektron betrachtet wird, so kann die kinetische Energie als

${\displaystyle E_{\mathrm {kin} }[\rho ]=\int {\frac {1}{8}}{\frac {\nabla \rho (\mathbf {r} )\cdot \nabla \rho (\mathbf {r} )}{\rho (\mathbf {r} )}}\mathrm {d} ^{3}r}$

geschrieben werden, wobei ${\displaystyle E_{\mathrm {kin} }[\rho ]}$ das Weizsäcker-Funktional der kinetischen Energie ist.

Siehe auch

• Potentielle Energie
• Energieerhaltungssatz
• Schleppkraft (Kinetische Energie in der Geographie)

Literatur

• Wolfgang Nolting: Klassische Mechanik. In: Grundkurs Theoretische Physik. Bd. 1, 8. Auflage. Springer, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-34832-0.
• Richard P. Feynman: Feynman-Vorlesungen über Physik. Mechanik, Strahlung, Wärme 5., verbesserte Auflage, definitive Edition. Oldenbourg, München / Wien 2007, ISBN 978-3-486-58444-8 (= The Feynman Lectures on Physics, Band 1).
• Paul A. Tipler: Physik. 3. korrigierter Nachdruck der 1. Auflage. 1994, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg / Berlin 2000, ISBN 3-86025-122-8.
• Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer: Mechanik – Akustik – Wärme. In: Lehrbuch der Experimentalphysik. Bd. 1, 12. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2008, ISBN 978-3-11-019311-4.
• Rainer Müller: Klassische Mechanik: Vom Weitsprung zum Marsflug. De Gruyter, 25. September 2015, ISBN 978-3-11-044530-5.
• Dieter Meschede: Gerthsen Physik. Springer-Verlag, 27. Februar 2015, ISBN 978-3-662-45977-5.

Weblinks

• Literatur von und über Kinetische Energie im Katalog der Deutschen Nationalbibliothek

Einzelnachweise

1. ↑ vergleiche 1,602·10⁻¹⁹ J = 1 eV = 1,602·10⁻¹⁹ C · V = 1,602·10⁻¹⁹ A·s·V = 1,602·10⁻¹⁹ W·s = 3,827·10⁻²³ Kilokalorien kcal (Liste von Größenordnungen der Energie).
2. ↑ István Szabó: Geschichte der mechanischen Prinzipien. Birkhäuser, S. 71.
3. ↑ Max Jammer: Artikel Energie. In: Donald Borchert (Hrsg.): Encyclopedia of Philosophy. Thomson Gale, 2006.
4. ↑ A. P. French: Die spezielle Relativitätstheorie – M.I.T. Einführungskurs Physik 1968, S. 19–23.