Definitionen Fahrdynamik: Energie, Potentielle Energie und Kinetische Energie - Reibarbeit
Energie ist die Grundlage aller Bewegungs- und Antriebsvorgänge im Eisenbahnbetrieb.
Aus ökologischen und wirtschaftlichen Gründen soll Energie eingespart werden.
Erhöht man bei Dieseltraktion die Höchstgeschwindigkeit von 100 auf 160 km/h, steigt der Energieverbrauch um etwa 250 %.
Moderne Elektrofahrzeuge mit Drehstrommotoren können jedoch rund 40 % der Energie beim Bremsen zurückgewinnen.
Fahrdynamische Berechnungen helfen, die optimale Balance zwischen Geschwindigkeit, Energiebedarf und Wirtschaftlichkeit zu finden.
Potentielle Energie
Die potentielle Energie beschreibt die Lageenergie eines Körpers in Bezug auf die Erdanziehung.
Sie berechnet sich nach der Formel E = m · g · h, also Masse mal Erdbeschleunigung mal Höhe.
Ein Zug mit 720 t Masse, der von Hamburg (10 m über Meeresspiegel) nach München (510 m) fährt, gewinnt dadurch eine potentielle Energie von rund 1000 kWh.
Diese Energie muss beim Anstieg aufgebracht werden, hängt ausschließlich von der Masse ab und kann durch Leichtbauweise reduziert werden.
Bei der Berechnung werden die wechselnden Steigungen und Gefälle über sogenannte Streckenbänder erfasst.
Eine Energieeinsparung durch geringere Höhenlage ist nicht möglich – aber bei modernen Fahrzeugen kann die Energie beim Bremsen zurückgewonnen werden.
Kinetische Energie
Die kinetische Energie ist die Bewegungsenergie eines Körpers und hängt von seiner Geschwindigkeit ab.
Sie wird durch die Formel E = ½ · m · v² beschrieben.
Ein Zug mit 720 t Masse besitzt bei 180 km/h etwa 50 kWh, bei 300 km/h rund 140 kWh kinetische Energie.
Der Energieverbrauch steigt quadratisch mit der Geschwindigkeit – bei 160 km/h ist er rund 2,5-mal höher als bei 100 km/h.
Diese Energie wird beim Bremsen in Wärme umgewandelt oder teilweise durch energierückspeisende Systeme wiederverwertet.
Energieeinsparung hängt daher wesentlich von der Begrenzung der Höchstgeschwindigkeit ab und muss stets gegen den Nutzen höherer Reisegeschwindigkeit abgewogen werden.
Reibarbeit
Reibarbeit beschreibt die Energie, die erforderlich ist, um Widerstände während der Fahrt zu überwinden.
Sie ergibt sich aus der Formel E = Fᵣ · s, also Kraft mal Weg, wobei Fᵣ die Zugkraft ist, die nötig ist, um Roll- und Luftwiderstände zu kompensieren.
Die Reibarbeit ist keine Energieform, sondern eine Energieumwandlung, die beim Überwinden der Widerstände in Wärmeenergie übergeht.
Sie spielt eine wichtige Rolle bei der Berechnung des tatsächlichen Energieverbrauchs im Bahnbetrieb.