Verstehen und würdigen, wie Maschinen die körperliche Leistungsfähigkeit des Menschen erweitern. Ein Maß für den Energieverbrauch in der globalen Perspektive kennen lernen.
Physik (Arbeit, Leistung, Energie, Energieumwandlung)
I (gering)
1-2 Unterrichtsstunden
Als Hilfsmittel werden ein Metermaß, eine Personenwaage und eine Stoppuhr benötigt.
Was kann der Mensch körperlich leisten? Was leisten die vom Menschen erschaffenen Maschinen? Diese Fragen sollen mit einem kleinen Experiment untersucht werden.
Ein Schüler nimmt einen zweiten Schüler huckepack und steigt mit ihm möglichst rasch eine Treppe im Schulhaus hoch. Die Zeit wird gestoppt. Die Treppenhöhe wird vermessen. Andere Schülerpaare können die Übung wiederholen.
Die hierbei verrichtete Arbeit kann aus
W = m * g * h
berechnet werden, wobei m die Masse beider Schüler in Summa ist. Die Leistung kann nach der Formel
P = W : t
ermittelt werden. Die Schüler stellen – oft mit einiger Verwunderung – fest, dass nicht unbedingt der Schnellste die höchste Leistung erbracht hat.
Der auf diese Weise ermittelte Wert ist natürlich eine Kurzzeit-Höchstleistung, die keiner der Teilnehmer längere Zeit durchhalten würde. Lassen Sie die Schüler schätzen, welche Dauerleistung sie während eines achtstündigen Arbeitstages durchhalten könnten.
Das Experiment ist nicht ganz exakt, da der horizontale Weganteil und die dafür notwendige Leistung außen vor bleiben, aber für eine ungefähre Vorstellung von der menschlichen Leistungsfähigkeit reicht es.
Welche Leistung haben Geräte und Maschinen, derer sich der Mensch bedient, z.B. ein Staubsauger, eine Bohrmaschine, ein Moped oder ein Personenkraftwagen? (Zusatzaufgabe: Erklären Sie anhand eines solchen Gerätes den Zusammenhang zwischen Leistungsaufnahme, Wirkungsgrad und Leistungsabgabe!)
Mit seinem Erfindungsreichtum hat der Mensch technische Geräte erschaffen, die seine eigenen körperlichen Fähigkeiten vervielfachen. Würdigen Sie dies, indem Sie einige bahnbrechende Erfindungen wie die Dampfmaschine, den Elektromotor oder die verschiedenen Verbrennungsmotoren und deren Erfinder kurz vorstellen!
Für die Potenzierung der körperlichen Leistungsfähigkeit des Menschen hat Professor Hans-Peter Dürr den bildhaften Ausdruck des „Energiesklaven“ geprägt (Dürr, Hans-Peter, 1998). Ein Energiesklave hat eine Leistung von 300 W, er arbeitet acht Stunden am Tag, 365 Tage im Jahr. Ein Energiesklave ist somit ein bildhaftes Maß für den Primärenergieverbrauch, entsprechend einem Energieverbrauch von ca. 880 kWh/a.
Wie viele Energiesklaven stecken in den o.g. Geräten?
Ein Europäer beutete im Jahr 2005 etwa 54 Energiesklaven aus. Spitzenreiter sind die Kanadier mit 148 und die USA-Bürger mit 112 Energiesklaven. Den Menschen in anderen Ländern steht allerdings viel weniger Energie zur Verfügung. Wie würden wohl Schüler aus Entwicklungsländern den bundesdeutschen Energieverbrauch bewerten?
Die der Abbildung zugrunde liegenden Daten sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben.
Wie viele Energiesklaven leisten wir uns? | |||
Land | Primärenergieverbrauch pro Kopf der Bevölkerung (2005)* | Energiesklaven*** | |
toe** | kWh | ||
Deutschland | 4,4 | 51.000 | 58 |
Frankreich | 4,7 | 55.000 | 52 |
Großbritannien | 4,2 | 49.000 | 56 |
Italien | 3,5 | 41.000 | 46 |
(Durchschnitt Europäische Union) | 4,1 | 48.000 | 54 |
USA | 8,5 | 99.000 | 112 |
Kanada | 11,2 | 130.000 |
148 |
China |
1,3 | 15.000 | 17 |
Indien | 0,4 | 5.000 | 5 |
Japan | 4,4 | 51.000 | 58 |
Russische Föderation | 5,3 | 62.000 | 70 |
Südafrika | 2,6 | 30.000 | 34 |
Mexiko | 1,7 | 20.000 | 22 |
Brasilien | 1,3 | 15.000 | 17 |
*Der Primärenergieverbrauch ist der
Energiegehalt, wie er der Natur entnommen wird, also z.B.
in dem geförderten Öl oder in der Kohle. Die
Menge der letztendlich genutzten Energie ist wesentlich
geringer, weil bei der Umwandlung (z.B. von Kohle-Energie
in elektrische Energie) erhebliche Verluste auftreten. **1 toe = 1 Tonne Erdöläquivalent
(die nutzbare Energie einer Tonne Erdöl) = 41,868
GJ *** 1 Energiesklave entspricht 880 kWh / Jahr. |
Wegen der von der Energiewirtschaft hervorgerufenen Umweltbelastungen gelten (nur) ca. 15 Energiesklaven pro Kopf der Weltbevölkerung als dauerhaft vertretbar (siehe Einführung Energie sowie Einführung Klimaschutz). Für die Europäer bedeutet dies, ihren heutigen Energieverbrauch auf ca. ein Viertel zu reduzieren.
Zwei Strategien könnten im Laufe der nächsten Jahrzehnte dazu beitragen, dass dieses Ziel tatsächlich erreicht wird. Die Schüler sollen nach konkreten Beispielen für diese Strategien suchen und aus ihrer subjektiven Sicht bewerten, welche Chancen sie diesen Beispielen einräumen:
Je jünger die Schüler sind, desto eher absolvieren sie das Experiment mit Spaß und sportlichem Ehrgeiz.
Der sparsame Umgang mit Energie wird in anderen Lehreinheiten vertieft, siehe Übersichtsseite Energie.
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Diese Unterrichtseinheit wurde zuerst publiziert in: Tilman Langner: Die Fundgrube für den Umweltschutz in der Sekundarstufe I. Berlin: Cornelsen Scriptor, 2000
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