Mechanische Energieströme

Die Physik der dynamischen Systeme unterscheidet zwischen zugeordnetem Energiestrom und Prozessleistung. Der zugeordnete Energiestrom tritt meist im Zusammenhang mit der Bilanz bezüglich eines Systems auf. Die Prozessleistung untersucht man immer dann, wenn es um einen Energieumsatz geht. Bei elektrischen Stromkreisen verwendet man meist nur den Begriff Prozessleistung (P = UI ). In der Thermodynamik wird praktische nur mit dem Begriff des zugeordneten Energiestromes (Wärmestrom) argumentiert.

Die Mechanik lässt sich nicht so einfach in das allgemeine Schema der systemdynamischen Analyse pressen. Dafür sind mehrere Gründe verantwortlich. Die Mechanik kennt sechs skalare bilanzierfähige Mengen, nämlich den Impuls und den Drehimpuls. Diese Mengen können leitungsartig (stromartig)und quellenartig transportiert werden. Zudem ist die Mechanik zuerst als reine Bewegungslehre ohne Bezug zu irgendwelchen Prozessen formuliert worden. Dennoch lohnt es sich, die Begriffe Prozessleistung und zugeordneter Energiestrom auch in der Mechanik zu untersuchen.

Translation

Durch ein gespanntes Seil fliesst ein Impulsstrom. Orientiert man die x-Achse längs des Seils, fliesst der x-Impuls mit einer bestimmten Stärke in negative Richtung. Sehen wir zum Beispiel bei einem Spaziergang im Wald ein Drahtseil, das quer über die Strasse gespannt ist, wissen wir erst wenn sich das Seil bewegt, auf welcher Seite des Seils sich die Seilwinde befindet und auf welcher Seite der Baum befestigt ist. Die Richtung des zugeordneten Energiestromes hängt im Gegensatz zur Richtung des Impulsstromes nicht von der Wahl des Koordinatensysems ab, weil sich sowohl das Vorzeichen der Menge (Impuls) als auch des Potenzials (Geschwindigkeit) mit dem Umdrehen der Bezugsachse ändert

[math]I_W = v_x I_{px}[/math]

Impulsstromkreis beim Turnen

Spannt man einen Expander und denkt sich die Bezugsrichtung parallel zu den Gummiseilen, fliesst in den der Impuls im Expander in negative und im Brustkasten in positive Richtung. Nun kann man den einen Arm weiter strecken. Der Impulsstrom wird dann bei Durchfliessen der entsprechenden Muskeln mit Energie beladen

[math]P = \Delta v_x I_{px}[/math]

Dieselbe Prozessleistung gibt der Impulsstrom praktisch gleichzeitig im Expander wieder ab. Ein vergleichbarer Prozess läuft beim Polieren von Schuhen ab. Steckt man die linke Hand in den Schuh und hält mit der rechten die Bürste fest, fliesst beim Polieren ein Impuls-Wechselstrom im Kreis herum. Unabhängig von der Wahl der Bezugsrichtung fliesst die Energie stossweise aus den Muskeln in die Reibsschicht zwischen Schuh und Bürste.

Im Gegensatz zu einem elektrischen Stromkreis spielen bei einem mechanischen Stromkreisen die Kapazitäten (Massen) eine grössere Rolle. Deshalb eignen sich stationäre Prozesse besser zur quantitativen Analyse.