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Mechanische Arbeit wird verrichtet, wenn eine Kraft einen Körper entlang eines Weges bewegt. Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, und bleibt in geschlossenen Systemen stets erhalten (Energieerhaltungssatz).
In der Physik wird Arbeit (W) immer dann verrichtet, wenn eine Kraft (F) einen Körper über eine bestimmte Strecke (s) bewegt. Die grundlegende Formel lautet W = F × s, wobei nur die Kraftkomponente zählt, die parallel zum Weg wirkt. Die Einheit der Arbeit ist das Joule (J), was einem Newtonmeter (Nm) entspricht. Die Arbeit ist die bei einem Vorgang umgesetzte Energiemenge (W = ΔE). Weitere gebräuchliche Einheiten sind Kilowattstunde (kWh) und Wattsekunde (Ws); die SI-Basiseinheit der Arbeit ist kg*m²/s².
Energie (E) ist eng mit der Arbeit verknüpft: Sie ist das Speichervermögen für Arbeit. Man kann sich Energie wie ein Guthaben auf einem Konto vorstellen, das ausgegeben (in Arbeit umgewandelt) werden kann. Auch die Energie wird in Joule gemessen. In der klassischen Mechanik betrachtet man vor allem die potentielle und die kinetische Energie; daneben können aber auch Wärmeenergie, chemische Energie oder Bindungsenergie eine Rolle spielen.
Die potenzielle Energie (E_pot), auch Lageenergie genannt, beschreibt die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Position in einem Kraftfeld besitzt. Im Schwerefeld der Erde berechnet sie sich aus dem Produkt von Masse (m), Erdbeschleunigung (g ≈ 9,81 m/s²) und Höhe (h): E_pot = m × g × h.
Eine weitere Form der potentiellen Energie ist die Spannenergie einer Feder: E_pot = (1/2) × k × x², wobei k die Federkonstante und x die Auslenkung aus der Ruhelage ist.
Die kinetische Energie (E_kin) oder Bewegungsenergie ist die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Geschwindigkeit (v) besitzt. Sie ist proportional zur Masse und zum Quadrat der Geschwindigkeit: E_kin = (1/2) × m × v². Eine Verdopplung der Geschwindigkeit führt also zu einer Vervierfachung der kinetischen Energie.
Bei Drehbewegungen tritt die Rotationsenergie auf: E_kin, rot = (1/2) × I × ω², mit dem Trägheitsmoment I (abhängig von Masse und Massenverteilung) und der Winkelgeschwindigkeit ω.
Der Energieerhaltungssatz ist eines der fundamentalsten Prinzipien: In einem abgeschlossenen System ist die Gesamtenergie konstant. Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden; sie wird lediglich von einer Form in eine andere umgewandelt. Ein Pendel wandelt beispielsweise am höchsten Punkt seine gesamte Energie in potenzielle Energie um, die beim Durchschwingen am tiefsten Punkt komplett in kinetische Energie übergeht.
Ein anschauliches Alltagsbeispiel ist ein Radfahrer: In der Ebene wird kinetische Energie durch Reibung ständig in Wärme umgewandelt und muss aus chemischer Energie (z.B. Nahrung) nachgeliefert werden. Bergauf wird zusätzlich kinetische in potentielle Energie umgewandelt – das erfordert mehr Arbeit. Bergab wird potentielle in kinetische Energie umgewandelt; durch Bremsen wird die überschüssige Energie als Wärme abgeführt. Moderne Elektro- und Hybridautos nutzen hier Rekuperation, um diese Energie als elektrische Energie zu speichern.
In der Biomechanik ist die Hubarbeit besonders relevant. Wenn ein Mediziner einen Patienten der Masse 80 kg um 0,5 m anhebt, verrichtet er eine Arbeit von etwa 400 Joule (80 kg × 10 m/s² × 0,5 m). Diese Energie wird im Körper des Patienten als potenzielle Energie gespeichert.
Weitere mechanische Arbeitsformen sind die Beschleunigungsarbeit, die die kinetische Energie erhöht, und die Verformungsarbeit, bei der kinetische Energie in Bindungsenergie (plastische Verformung) umgewandelt wird.
Reibungsarbeit tritt auf, wenn mechanische Energie durch Reibung in thermische Energie (Wärme) umgewandelt wird. Da Wärme in mechanischen Systemen oft nicht mehr direkt zur Arbeitsverrichtung genutzt werden kann, spricht man umgangssprachlich von Energieverlust, obwohl die Energie physikalisch erhalten bleibt.
