Wie ist es möglich, dass die zum Anhalten eines Zuges benötigte Energie gleich der (chemischen) Energie in einer Packung Schokoladenkekse ist?

Heute hat mir mein Freund etwas erzählt, das mich völlig umgehauen hat.

Er sagte:

Die Energie, die nötig ist, um einen Zug anzuhalten, entspricht der Energie in einer Packung Kekse.

Wie ist das möglich? Hat er Recht? Ich bin fertig damit, Energie zu verstehen, wenn er recht hat...

Wenn es schwer zu verstehen scheint, bedenken Sie, wie weit ein trainierter Radfahrer fahren kann, nachdem er nur eine Packung Kekse gegessen hat ... (viele, viele Kilometer), jetzt packen Sie diesen kleinen konstanten Energieaufwand über einen langen Zeitraum in einen einzigen kurzen Aufwand von Energie auf ein größeres Objekt.
Es ist wahrscheinlich wichtig, den Unterschied zwischen Kalorienenergie aus der Verdauung (nicht der effizienteste Prozess) und der Energie chemischer/nuklearer Bindungen (so effizient wie möglich) zu unterscheiden. Wenn Sie alle chemischen Bindungen in diesen Keksen spalten oder besser noch die Atome selbst spalten, bin ich bereit zu wetten, dass der Effekt viel verheerender wäre, als Sie erwarten würden. Wenn Sie jedoch etwas verdauen , werden Sie selten explodieren (hoffe ich).
Wie sicher sind Sie, dass Ihr Freund über chemische Energie gesprochen hat?
Diese Frage ist falsch, weil sie impliziert, dass das Anhalten eines Zuges eine andere Energiemenge erfordert, als ihn in Bewegung zu setzen. In einem realen Zug ist Energie in Druckluft in Bremszylindern gespeichert. Um ihn anzuhalten, muss er lediglich freigegeben werden - das ist nicht der Punkt und lenkt nur vom Punkt ab.
@Agent_L: Wie macht irgendetwas davon die Frage "falsch"? Sie bringen etwas zur Sprache, das das OP nicht einmal erwähnt hat, und behaupten dann, "das ist nicht der Punkt und es lenkt nur vom Punkt ab" ... nun ja, und Sie haben es angesprochen, nicht das OP!
Bitte klären Sie - meinen Sie die Energie, die zum Bremsen erforderlich ist (die nicht von der Masse und Geschwindigkeit des Zuges abhängt, und Sie könnten sogar argumentieren, dass sie möglicherweise Null sein kann -, wird der Zug irgendwann anhalten , wenn die Straße gerade ist ) oder um den Zug tatsächlich anzuhalten (dh -1 * kinetische Energie des Zuges)? Bremsen leiten natürlich die kinetische Energie ab, anstatt Energie "hinzuzufügen", daher ist Ihre Frage etwas verwirrend.
@LightnessRacesinOrbit Es ist falsch, weil es die Antwort "Null Energie, öffne einfach die Bremsleitung" erlaubt.
@Agent_L: Energie war erforderlich, um diese Druckluft überhaupt zu [erzeugen und] zu speichern. In der Thermodynamik gibt es kein kostenloses Mittagessen. en.wikipedia.org/wiki/Second_law_of_thermodynamics
Die grobe Richtigkeit Ihrer Aussage unterstreicht zwei Dinge: (1) Wir als warmblütige (homöotherme) Tiere verbrauchen viel Energie, um unseren Körper auf konstanter Temperatur zu halten, (2) die Energie, die verwendet wird, um Widerstand und Reibung in vielen Maschinen zu überwinden über ein paar Sekunden ist vergleichbar mit der gespeicherten kinetischen Energie dieser Maschinen. Während also die kinetische Energie eines Zuges im Vergleich zu der Energie, die wir aus einer Kekspackung gewinnen können, nicht riesig ist, ist die Kraft, die der Zug benötigt, um den Luftwiderstand zu überwinden Geschwindigkeit würde diese Kekse ziemlich schnell zerkauen. Wie Sie finde ich solche Werte aber immer noch überraschend.

Antworten (4)

In Großbritannien wiegt eine Packung Kekse normalerweise 200 g und enthält etwa tausend Kalorien oder 4,2 MJ. Mit enthalten meine ich, dass, wenn die Kekse in Sauerstoff verbrannt würden, die freigesetzte Energie etwa 4,2 MJ betragen würde.

Wenn ein Zug eine Masse hat m und bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit v dann ist seine kinetische Energie:

T = 1 2 m v 2

Wenn wir dies mit der Energie in den Keksen gleichsetzen, finden wir:

v = 8.4 × 10 6   J m

Googeln schlägt vor, dass das Gewicht eines Zuges je nach Zugtyp 100 bis 1 000 Tonnen betragen würde. Mit der unteren Zahl erhalten wir v ≈ 9   m / s während das höhere Gewicht nachgibt v ≈ 3   m / s .

Die beiden Energien sind also eigentlich vergleichbar (wenn es ein Bummelzug ist :-).

Aber es ist wichtig, sich klar zu machen, was wir meinen, wenn wir die Energien vergleichen. Gemeint ist damit, dass, wenn wir eine Packung Kekse in den Brenner eines 100 % effizienten Dampfzuges legen, die beim Verbrennen der Kekse frei werdende Energie den Zug aus dem Stillstand auf die oben berechnete Geschwindigkeit beschleunigen würde.

Es wäre schön, die Einheiten in dieser letzteren Formel zu haben
die Tabelle darin bestätigt Ihre Schätzung muller.lbl.gov/teaching/Physics10/PffP_textbook_F08/… . Seite 4
In Wirklichkeit sind Dampfzüge eigentlich ziemlich ineffiziente Bestien. Aber da die latente Wärme von Wasserdampf etwa 2 MJ/kg beträgt, sprechen wir hier über das Kochen von etwa 2 kg Wasser, was bei voller Expansion etwa 3 Kubikmetern entsprechen würde. Eine vollständige Analyse ist komplizierter und würde eine Spezifikation der Dampfbedingungen vor der Expansion erfordern, aber das reicht sicherlich aus, um einen (reibungslosen) Zug zu bewegen. Die Kekse einem Pferd oder einem sehr starken Mann zu geben und ihn den Zug ziehen zu lassen, ist wahrscheinlich etwas effizienter.
Dampfmaschinen haben Wirkungsgrade im einstelligen Prozentbereich.
@steveverrill: Es wäre noch effizienter, einen sehr starken und dummen Mann einzusetzen und die Kekse außerhalb seiner Reichweite zu halten.
Verdammt, jetzt muss ich nur noch los und Schokoladenkekse kaufen.
@Joshua: Einige Dampfmaschinen waren ziemlich effizient, aber Dampflokomotiven wurden eher auf Leistung pro Einheitsgröße als auf Effizienz optimiert. Die frühesten Dampfmaschinen haben einen Großteil (oder in einigen Fällen die gesamte) Leistung aus kondensierendem Dampf bezogen (um seinen Druck unter den atmosphärischen Druck zu senken), aber man kann dabei nicht mehr als eine Atmosphäre von Druckunterschieden erreichen und viel kondensieren von Dampf erfordert schnell eine sehr große Apparatur. Lokomotiven dampfen eher ab als dass sie kondensieren, was bedeutet, dass sie auf viel der darin enthaltenen Energie verzichten, aber man kann leicht eine große Menge Dampf ablassen ...
...leichter als man selbst eine viel kleinere Menge kondensieren kann. Feste Dampfmaschinen, die in Fabriken und dergleichen verwendet wurden, erzeugten für ihre Größe viel weniger Strom, konnten dies jedoch viel effizienter tun.
Was meinen Sie mit „100 % effizienter Dampflok“? Wenn wir über die Effizienz einer Wärmekraftmaschine sprechen, sprechen wir oft über ihre Arbeitsleistung im Vergleich zu einem Carnot-Zyklus-Motor. Das ist nicht dasselbe wie die Gesamtwärmemenge, die bei der Verbrennung des Kraftstoffs freigesetzt wird.
@Joshua von en.wikipedia.org/wiki/Fossil-fuel_power_station Der typische thermische Wirkungsgrad für Stromgeneratoren im Versorgungsmaßstab liegt bei etwa 33 % für Kohle- und Ölkraftwerke. Effiziente Dampfzyklen sind möglich. Als Supercat wurden Lokomotiven nie auf Effizienz optimiert. Insbesondere das Fehlen eines Getriebes schmälerte die Effizienz bei hohem Drehmoment, wie etwa beim Bergauffahren, absolut: Das Einlassventil wurde länger geöffnet, um mehr Anfangsdruck zu erhalten, auf Kosten viel niedrigerer Expansionsverhältnisse. Aus diesem Grund hört man beim Anfahren einer Dampflokomotive sehr laute Auspuffgeräusche, bei Geschwindigkeit jedoch viel leiser
Ich bin nicht überrascht, dass Kraftwerke bessere Fähigkeiten haben. Eisenbahnlokomotiven war bereits der Kontext.
Kraftwerke verwenden Turbinen. Vielleicht hat jemand einen Dampfzug gebaut, der eine Turbine benutzte, aber soweit ich weiß, waren das alles Kolbenmotoren.
"Googeln schlägt vor, dass das Gewicht eines Zuges je nach Zugtyp 100 bis 1.000 Tonnen betragen würde." Das ist sehr länderabhängig: In Großbritannien sehen Sie 100 t für einen sehr leichten Nahverkehrspassagier, ~ 400 t für einen Intercity-Passagier und ~ 1200 t für eine schwere Fracht. In den USA kann ein schwerer Güterzug über 1500 t Lokomotiven haben, die weitere 10000 + t hinter sich herziehen.
Zum Vergleich: Ein amerikanischer Güterzug, der mit einer hochdichten Fracht beladen ist und mit typischen Langstreckengeschwindigkeiten fährt, könnte eine kinetische Energie von etwa 2,8 GJ haben, genug, um zwei Tonnen Stahl zu schmelzen, oder etwa 100 kg Kekse .
@ John Rennie Turbinen sind weniger effizient als mehrstufige (3+) reziproke Verbindungen (die bei ordnungsgemäßem Betrieb mit jedem modernen Diesel mithalten können).
@Mark Also gibt es wirklich etwas , was man mit Wonkas lebenslangem Schokoladenvorrat machen könnte? ...mmm... jetzt denke ich an Kekse.

Ich glaube, er liegt falsch , aber nicht wegen der Zahl.

Aus der Antwort von @JohnRennie geht hervor, dass die Energie der Kekse ungefähr der kinetischen Energie des Zuges entspricht. Daher benötigen wir eine solche Energiemenge, um den Zug auf diese Geschwindigkeit zu beschleunigen. Jedoch,

Energie, um den Zug anzuhalten ...

Energie oder Arbeit , die erforderlich ist, um einen Zug anzuhalten, entspricht im Allgemeinen nicht der kinetischen Energie des Zuges E k , und kann extrem wenig sein. Bearbeiten: Wie @kojiro und @Asher in den Kommentaren betonten, ist die im Zug geleistete Arbeit gemäß dem Work-Energy Theorem gleich − E k . Aber ich denke, es entkräftet nicht die Argumentation: Der Boden verliert keine Energie, wenn er im Zug arbeitet.

Zum Beispiel können wir ihm ein Hindernis in den Weg schieben: (Blick vom Himmel)

                           (rock)
[  train  ][  train  ]>
                         | (rock)
                         |
                         |
              push this thing to the north

Theoretisch brauchen wir null Energie, wenn der Boden reibungsfrei ist. Die gesamte kinetische Energie des Zuges wird zu Wärme.

Praktischer gesagt bremsen wir den Zug einfach ab. Das Bremsen eines schnellen Fahrrads erfordert nicht so viel Kraft von den Händen des Fahrers, oder?

Zusammenfassend können wir die benötigte "Energie" nicht aus der Masse und Geschwindigkeit des Zuges berechnen.

Was wir abschätzen können, ist der Impuls , der benötigt wird, um den Zug anzuhalten. Der Schwung des Zuges nimmt ab m v zu 0 , also muss ihm ein Impuls gegeben werden J = m v in umgekehrter Richtung.

Wenn der Boden glatt ist, wie hält man einen Zug an?
@kojiro zB der Boden unter der Stange ist reibungsfrei, aber der Boden unter dem Zug und dem Felsen hat Reibung. Dies ist nur ein theoretisches Beispiel, das zeigt, dass die benötigte Energie nicht die kinetische Energie des Zuges ist.
@ jingyu9575 Kojiros Punkt ist, dass sich die Gesamtenergie zum Anhalten des Zuges nicht ändert. Wenn der Zug aufgrund von Reibung anhält, hat der Boden Arbeit daran verrichtet, die Energie erfordert, die der anfänglichen kinetischen Energie des Zuges entspricht, unabhängig von der Quelle
@kojiro: Lege ihm einen Hügel in den Weg.
@ Asher Ja. Ich habe einen Fehler gemacht. Aber ich denke, es entkräftet nicht die Argumentation: Der Boden verliert keine Energie, wenn man im Zug arbeitet, weil er nach der Arbeit gleich bleibt.
@jingyu9575 Sowohl der Boden als auch der Zug werden sich aufheizen, Kratzer und Risse werden erscheinen ... Die Energie geht immer noch irgendwo hin.
Es sollte angemerkt werden, dass regeneratives Bremsen verwendet werden könnte, so dass ein signifikanter Teil (vielleicht 50 %) der kinetischen Energie eingefangen wird. Wenn das "Anhalten des Zuges" darin bestand, den Zug auf ein ansteigendes Gleis zu schalten, könnten wahrscheinlich über 90% der kinetischen Energie als potenzielle Gravitationsenergie eingefangen werden.
@kojiro Wenn der Boden glatt ist, wie hast du den Zug gestartet ? ;)
@ jpmc26 Wenn der Boden reibungslos ist, benutze keinen Zug. Sie benötigen ein Jetpack (obwohl Sie es horizontal verwenden), um zu starten und zu stoppen.
@ jpmc26 der Zug war immer in Bewegung. ;)
"Der Boden verliert bei Arbeiten im Zug keine Energie" - Wie ist das möglich? Der Boden ist massiv , daher kann ich verstehen, dass der Boden als Ganzes keine Energie zu verlieren scheint (obwohl er verformt werden kann), aber sicherlich ändert sich die Menge an Energie, die der Boden zur Verfügung hat, wenn ein Zug anfährt oder anhält. Ähnlich wie ein Gravitationsassistent Energie vom Planeten auf ein Raumfahrzeug überträgt.
@Ellesedil Ich habe den Boden als Referenzrahmen genommen, also hat er keine Geschwindigkeit. Die Schwerkraftunterstützung überträgt potenzielle Gravitationsenergie (des Gravitationsfelds) auf die kinetische Energie des Fahrzeugs, aber Reibung hat kein „Potenzial“ , sodass der einzige Effekt darin besteht, dass die kinetische Energie des Zuges zu Wärme wird.

Die Energie, die benötigt wird, um einen Zug anzuhalten, ist die Energie, die benötigt wird, um das Druckluftbremsventil zu öffnen und die Luft aus dem Druckluftbremssystem abzulassen (zumindest bei US-Zügen). Es ist schwer abzuschätzen, wie viel Energie dafür erforderlich ist, aber ich schätze, um selbst einen mäßig steifen Hebel zu drehen, wären deutlich weniger als ein Kilogrammmeter == 9,8 Joule erforderlich.

Die kinetische Energie des Zuges wird natürlich durch die Reibung der Bremsbacken an den Rädern in Wärme umgewandelt. Das spielt in der Gleichung keine Rolle.

Okay, ich bin etwas verwirrt. Ist das Druckluftbremssystem im Westinghouse-Stil (oder das konzeptionell äquivalente Vakuumbremssystem) nicht weltweit Standard für Züge?
Ich habe Sie nicht abgelehnt, aber dies scheint den Punkt der Frage ziemlich deutlich zu verfehlen (vielleicht absichtlich). Das OP fragt nach der kinetischen Energie des gesamten Zuges und nicht danach, wie viel Arbeit auf die Steuerungen angewendet werden muss, um das Bremsen auszulösen.
@zwol - Die Frage lautet "die Energie, die zum Anhalten eines Zuges erforderlich ist". Ich verstehe nicht, wie man das so lesen kann, dass es die gesamte kinetische Energie des Zuges meint.
Sie müssen es so lesen, damit der Vergleich sinnvoll und interessant ist.
@zwol - Ich denke, es ist interessanter, wenn Sie dies als eine Art Flattern am Rande des "Schmetterlingseffekts" betrachten - eine sehr kleine Energiemenge kann steuern, was mit einer viel größeren Energiemenge passiert.

In seiner ausgezeichneten Antwort gibt John Rennie die Zahlen an. Wenn das unglaublich klingt, ist ein intuitiverer Ansatz, der darauf hinweist, dass dies ungefähr in der richtigen Größenordnung liegt, einen Blick auf Strongman-Pulling-Wettbewerbe zu werfen.

https://www.youtube.com/watch?v=hP00VmKx_No zeigt Ihnen einen Typen, der einen 150-Tonnen-Zug zieht. Er fährt nicht besonders schnell, aber er bewegt sich trotzdem mit vielleicht sagen wir 0,5 m/s? Wie viele Kekse sollte er mehr essen, als wenn er diesen Zug nicht bewegen würde?

Das ist natürlich unmöglich zu sagen, aber es ist eindeutig nichts in der Liga der 10er-Packs. Es ist wahrscheinlich mehr als eine einzelne Packung. Wenn man es so betrachtet, bekommt man ein intuitives Gefühl dafür, wie viel Energie in einer Packung Kekse im Vergleich zur kinetischen Energie eines fahrenden Zuges steckt.

Beachten Sie jedoch, dass die kinetische Energie proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist. Die meisten Menschen würden davon ausgehen, dass ein „fahrender Zug“ mindestens 50 km/h schnell ist. Wenn man eine verschwindend kleine Geschwindigkeit annehmen darf, dann ist die Energie ebenfalls verschwindend klein.
@HotLicks Stimmt. Aber ich betrachte nur eine Schätzung in der Größenordnung von 10. Diese Antwort versucht nicht zu quantifizieren, wie viel Energie in einer Packung Kekse oder in einem fahrenden Zug steckt, sondern nur, dass es plausibel ist, dass sich die Zahlen in derselben Größenordnung befinden.
Angesichts dieser Kriterien würde ich behaupten, dass die Frage im Wesentlichen "keine Frage" ist (wie von Ihnen und anderen interpretiert), da es sich um eine Tautologie handelt, solange die Energieniveaus diejenigen überschreiten, bei denen die Quantenmechanik herrschen würde.
Wie ist es möglich, dass die zum Anhalten eines Zuges benötigte Energie gleich der (chemischen) Energie in einer Packung Schokoladenkekse ist?
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