Bereits im Altertum hat man sich überlegt, wie man Arbeit erleichtern kann: mit Seilen, Hebeln und Rollen wurde das Prinzip der Kraftübertragung genutzt um schwere Lasten leichter bewegen zu können. Das Prinzip der zwei Rollen des Flaschenzugs ist richtig alt: bereits aus Mesopotamien, dem antiken Ägypten (ab 2000 v. Chr.) und dem alten Griechenland ist seine Verwendung belegt. Er wurde beim Bau der Pyramiden verwendet und theoretische Konzepte des Archimedes (287-212 v. Chr.) dazu sind uns bis heute erhalten geblieben. Die geniale Idee dahinter besteht darin, die Zuglast durch die sich bewegende lose Rolle (dreht sich mit der Last mit) zu halbieren. Man spricht dabei von Kraftumlenkung.

Die Rollen (vor allem die fixierte) werden dabei richtig heiß, wenn sie im Einsatz sind. Es handelt sich dabei um Reibungsverluste durch die Energie, die eingesetzt wird. Ein Zeichen, dass es hier einen Bezug zur Wärme gibt. Diese sollte viel später, ab der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts im Zuge der 1. Industriellen Revolution (1760-1840), noch eine entscheidende Rolle im Bezug auf Arbeit spielen. Die daraus entstehende Neudefinition von Arbeit im Sinn von praktischer, beruflicher oder sozialer Arbeit wird uns noch länger erhalten bleiben. Außerdem gibt es noch künstlerische und geistige Arbeit, psychische Arbeit, kognitive Arbeit usw. In der Physik gibt es Beschleunigungsarbeit, Volumenarbeit, Verformungsarbeit, elektrische Arbeit, magnetische Arbeit, Reibungsarbeit, Oberflächenarbeit usw.

Aber zurück zum Schweiße unseres Angesichts und zur Entstehungsgeschichte der das Leben erleichternden Erfindungen des 18. Jahrhunderts. Natürlich betrieben auch schon die alten Griechen mit Wasserdampf allerlei unterhaltsames Gerät - so gab es eine Vorrichtung zum Öffnen der Tempeltore auf geheimnisvolle (im Boden versteckte) Weise. Dazu entzündete man auf großen metallenen Opferschalen ordentlich Feuer. Die Schalen wurden so heiß, dass der dadurch entstandene Dampf aus versteckten Wasserkesseln unter der Erde die Türen bewegte. Man war beeindruckt: die Götter waren eben immer schon mit fantastischen Zauberkräften ausgestattete Wesen. Leider konnten die Griechen damals ihren Erfindungsreichtum nicht weiter vorantreiben, die Römer hatten anderes mit ihnen vor. Außerdem hatte man Sklaven und viel Zeit. Es gab also keine Notwendigkeit Dampfmaschinen oder Motoren zur Produktion oder Fortbewegung zu erfinden. 

Sklaven gab's in Europa der Neuzeit nicht mehr, dafür immer knapper werdende Zeit und immer größere Probleme, die Bedürfnisse der immer rascher ansteigenden Bevölkerung zu befriedigen. Aber vor allem die Möglichkeit, mit neuartigen Produktionsmitteln die Gewinne zu steigern, befeuerte den rasanten technologischen Fortschritt dieser Epoche ungemein. Seit der Renaissance hatte sich ein neuer Typ Mensch entwickelt, der allseitig gebildet, interessiert an Natur und Wissenschaft, nach Aufklärung strebte, der Welt immer mehr ihrer Geheimnisse entriss und zur praktischen Anwendung brachte. Den Begriff Arbeit im physikalischen Sinn prägten u.a. Gelehrte wie der französische Mathematiker, Philosoph und Naturwissenschaftler René Descartes (1596-1650) und in Deutschland Gottfried Wilhelm Leibniz (1646 -1716). Leibniz suchte ein Maß für die „lebendige Kraft“ (heute kinetische Energie), als er sich mit dem freien Fall beschäftigte und war überzeugt, dass dabei "tote Kraft" umgewandelt wird. Diese bezeichnen wir heute mit potentieller Energie. Die vertikale Fallbewegung verwandelt also potentielle Energie in kinetische Energie, die proportional genau der Arbeit entspricht, die beim Anheben eines Körpers (Voraussetzung für den freien Fall) nötig wäre, um ihn auf eine beliebige Fallhöhe zu bringen. Der englische Universalgelehrte Isaac Newton (1642-1726) beschäftigte sich u.a. mit der Bewegung von Körpern und ihren Eigenschaften wie Trägheit, Schwerpunkt oder Impuls. Seine Bewegungsgesetze bilden die Grundlagen der klassischen Mechanik. Auch deshalb wurde die heutige gebräuchliche Einheit der Kraft (1 N = 1 kg ⋅ 1 m/s²) nach ihm benannt, von seinen Verdiensten auf den Gebieten Mathematik, Astronomie, Optik, Wirtschaftswesen und Philosophie mal ganz abgesehen.

Arbeit ist eine grundlegende physikalische Größe zur Beschreibung der Übertragung von Energie. Die einfachste Art von Arbeit ist mechanische Arbeit. Sie wird definiert als Produkt einer auf einen Körper wirkenden Kraft und der in Wirkrichtung der Kraft zurückgelegten Strecke.

Arbeit ist Kraft mal Weg bzw. W = F ⋅ s 

Diese einfache Formel gilt aber nur, wenn die Kraft vollständig in Richtung der Bewegung wirkt wie beim Schieben einer Schubkarre auf ebenem Untergrund. Ist dieser aber ansteigend (bergab ist's lustiger), kommt ein Richtungsfaktor ins Spiel:

 W = F ⋅ s ⋅ cos(θ) dabei gilt:

Umwandlung von Energie kann auf viele Arten passieren, aber keine war so einschneidend wie die Umwandlung von Wärmeenergie in Bewegungsenergie. Die alten Griechen kannten dieses Prinzip schon (wie oben erwähnt). Konsequenzen - und zwar gewaltige - hatten aber erst die Erfindung der Dampfmaschine und der Lokomotive. Mit diesen konnten Webstühle und Pumpen automatisiert werden und Reisen wurden bequem und weniger zeitaufwändig. Die erste funktionstüchtige Dampfmaschine wurde vom englischen Erfinder Thomas Newcomen (1663-1729) nach zehnjähriger Entwicklungsarbeit in einem Kohlebergwerk in Staffordshire (1712) installiert, um das ständig durchsickernde Grundwasser aus den Schächten zu befördern. Ebenfalls Dampfmaschinenkonstrukteur war Thomas Savery (1650-1715) mit dem er sich im Laufe der Zeit verbündete und gemeinsam die Entwicklung dieser Erfindung vorantrieb.

Wasserdampf in einem Zylinder kondensiert durch Einspritzung kalten Wassers und der dadurch entstehende Unterdruck bewegt einen Kolben, da der von außen wirkende Normaldruck den sich bewegenden Kolben wieder in den Zylinder hinein drückt. Diese Kolben-Wärmekraftmaschine besaß weder Kurbelwelle, noch Schwungrad, was den Wirkungsgrad (magere 0,5%) ziemlich beschränkte. Ende des 18. Jahrhunderts stieg der Wirkungsgrad so weit an, dass es sich langsam lohnte sie in der Textilindustrie, Papiererzeugung, in Mühlen oder zum Transport auf Schiene oder am Wasser einzusetzen. Besonders herausragend war die technische Entwicklungsarbeit von James Watt (1736-1819), einem schottischen Erfinder. Er erhöhte durch Erweiterungen wie einem separaten Kondensator und massiven Fliehkraftreglern den Wirkungsgrad weiter, die Gewichte dieser Regler sorgten für konstante Bewegung. Kreisschubgetriebe (1781), Drehzahlregler und das Ersetzen der bisher üblichen Kette durch eine Kolbenstange sorgten für eine Verdreifachung des mittlerweile 1%igen Wirkungsgrads des optimierten Newcomen-Modells. Die Maschine arbeitete mit einem Druck von 5 Atmosphären (~5 bar), lief zuverlässig und verhalf der Dampfmaschine und der daraus resultierenden fahrbaren Version, der Lokomotive, zum Durchbruch. Seine Verdienste um den technischen Fortschritt sind nicht hoch genug einzuschätzen und ihm zu Ehren ist Watt heute die Einheit für den Energieumsatz pro Zeitspanne:

P = W / t, die Leistung P in Watt (W) ist gleich Arbeit (Work) in Joule (J) durch Zeit in Sekunden (s).

Der britische Bierbrauer James Prescott Joule (1818-1889) erbrachte in zahlreichen Experimenten (ab 1843) den Nachweis der Äquivalenz von mechanischer Arbeit und Wärme. Er erforschte die Wärmewirkung des elektrischen Stroms und entwickelte nach Vorarbeiten von William Sturgeon (1783-1850) dessen ersten Elektromotor weiter, aber mit dem ernüchternden Ergebnis, dass mit dieser Erfindung nur rund 20% des Wirkungsgrades der damals immer weiter optimierten Kohle-Dampf-Maschinen erreicht werden konnte. Die heute gebräuchliche Maßeinheit für Energie Joule wurde nach ihm benannt. Sie wird - weil direkt miteinander verbunden für

mechanische Arbeit mit W = F ⋅ s (siehe oben)

für elektrische Energie mit E = U ⋅ I ⋅ t

und für thermische Energie (Wärmemenge) mit Q = m ⋅ c ⋅ ΔT

Damit betreten wir langsam eine Epoche, die in diesem Artikel noch keine Erwähnung gefunden hat. Elektrizität und die daraus resultierenden modernen Kommunikations- und Fortbewegungsmittel haben etwas andere Grundlagen und sind in weniger bodenständigen Teilgebieten der Physik zuhause. Die darauf folgenden Jahre bringen faszinierende Durchbrüche in Wissenschaft und Technik, die das bis dahin bekannte Bild der Welt beinahe völlig auf den Kopf stellen werden - von den daraus resultierenden Erfindungen und der sich noch weiter veränderten Arbeitswelt mal ganz abgesehen. Wir sind heute noch damit beschäftigt, die Entdeckungen dieser spannenden Epoche zu verstehen, obwohl ihre Anwendungen mittlerweile aus unserem Alltag nicht mehr weg zu denken sind. Diese physikalisch-technischen Grundlagen und die Welt im Allerkleinsten wie im Allergrößten bieten endlos Stoff für  interessante Geschichten -  nachzulesen regelmäßig auf TechnoSoph.