Jeder kennt sich die Formel zur Berechnung der Arbeit, Arbeit ist gleich Kraft mal Weg oder W = F·s
Allgemein gilt; dass wenn eine Kraft F längs einer Strecke s auf einer Körper einwirkt, so bezeichnet man W = F ·s als die Arbeit, die von der Kraft F auf der Strecke s verrichtet wird. Grundsätzlich kann man bei den Formen mechanischer Arbeit die Beschleunigungsarbeit, die Hubarbeit und die Spannarbeit betrachten. Daneben kann man noch die Reibungsarbeit als nicht mechnanische Arbeit untersuchen.
Bei der oben erwähnten Definition W = F·s wird vorausgesetzt, dass die Kraft längs des Weges ist. Für eine genauere Definition von Arbeit sollte aber auch eine andere Bewegungsrichtung der Kraft als längs des Weges betrachtet werden.
Mechanische Arbeit wird immer dann verrichtet, wenn ein Körper durch eine Kraft bewegt wird. Das Symbol für die physikalische Größe Arbeit ist das “W”. Als Einheit wird Joule (J) bzw. Newton-Meter (Nm) verwendet. Dabei gilt 1J = 1Nm.
Nun betrachten wir die Spannarbeit als Form der mechanischen Arbeit: Unter Spannarbeit versteht man die Arbeit, die in einer Feder beim Einwirken einer äußeren Kraft als potentielle Energie gespeichert wird.
Wie bereits in den vorhergegangenen Kapiteln erwähnt, ist die Formel zur Berechnung der Arbeit W = F ·s bzw. W = F ·s·cos(a ), wenn die Kraft nicht längs zu einem Weg wirkt.
Da eine Feder immer in eine Richtung gespannt wird, ist die Formel W = F ·s. Die Kraft F ist dabei nach dem Hookschen Gesetz definiert: F = D·s (D = Federkonstante, s = Strecke, um die gedehnt wird). Da die Kraft längs des Weges (in x-Richtung) nicht mehr konstant ist, kann die Lösung nur durch eine grafische Darstellung gelöst werden.
Aus der Auftragung erfolgt W = 0.5·D·x2² – 0,5·D·x1²
Somit erhält man als Formel zur Berechnung der Spannarbeit W = 0.5·D·(x2 – x1)²
Die Spannarbeit ist die Arbeit, die von einer vorgespannten Feder oder einem ähnlichen Mechanismus geleistet wird, sobald sie/er ihre/seine anfängliche getrennte oder deformierte Zustand zurückspringt.
Während die Antriebsarbeit die Arbeit ist, die ein System auf eine externe Umgebung anwendet, ist die Spannarbeit die Arbeit, die einen Körper deformiert oder trennt.
Die Spannarbeit kann mittels der Formel ½ k*x² berechnet werden, wobei k die Federkonstante und x die Deformation ist.
Die Spannarbeit wird in derselben Einheit wie andere Formen von Arbeit gemessen, nämlich in Joule (J). Es gibt keine Unterscheidung in den Einheiten für verschiedene Arten von Arbeit.
Die Spannarbeit führt zu einer Änderung der potentiellen Energie des Systems und folgt daher dem Energiesatz, der besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann.
Wenn ein Bogenschütze eine Bogensehne nach hinten zieht, leistet er Spannarbeit, um die Sehne in eine unnatürliche Position zu zwingen. Wenn die Sehne losgelassen wird, wird diese Arbeit freigesetzt und in Bewegungsenergie des Pfeils umgewandelt.
Die theorie der Spannarbeit besagt, dass jede Art von Arbeit, die ein Körper leistet, um seine Form oder Größe zu ändern, als elastische potenzielle Energie gespeichert wird.
Die Spannarbeit kann durch Messung der benötigten Kraft und der erzielten Verformung ermittelt werden. Diese beiden Werte werden dann in die Formel für die Spannarbeit eingesetzt.
Ein System mit maximaler Spannarbeit ist am weitesten von seiner Ruhelage entfernt, während ein System in Ruhelage keine Spannarbeit hat.
Die Spannarbeit ist wichtig für das Verständnis der kinetischen und potenziellen Energie in diesen Systemen und für das Design effizienter und sicherer Mechanismen.