Kraftsparende Vorrichtungen

Pyramiden, römische Aquädukte oder Burgen hätte man ohne den Einsatz von Hebeln nicht bauen können. Auch heute noch sind sie wichtige Werkzeuge und finden auch im menschlichen Körper vielfältige Anwendung.

Arbeitsmittel

Hebel in Technik und bei Lebewesen

In den folgenden Bildern wird eine Brechstange einmal als einseitiger und beim anderen Bild als zweiseitiger Hebel verwendet. In welche Richtung muss die Person die Kraft ausüben?

Brechstange als einseitiger Hebel
Brechstange als einseitiger Hebel
Brechstange als zweiseitiger Hebel
Brechstange als zweiseitiger Hebel

Für die Ruderer ist es wichtig, dass das Ruderblatt am längeren Hebelarm sitzt. Dadurch wird mit einem Schub viel Weg zurückgelegt.

Ruderer in einem Boot
Die Ruder sind zweiseitige Hebel

Die Bizepssehne muss eine größere Kraft aushalten, weil sie am kurzen Hebelarm ansetzt.

Der Unterarm ist ein einseitiger Hebel.

Da der Kiefer ein einseitiger Hebel mit dem Drehpunkt im Kiefergelenk ist, üben die Backenzähne einen großen Druck aus und können die Nahrung zerquetschen.

Der Kiefer bei Mensch und Tier ist ein Hebel.

Beim Hochheben von Lasten (z. B. Mineralwasserkiste) ist es wichtig, dass der Hebelarm nicht zu lang wird.

Ein Kind hebt eine Mineralwasserkiste einmal richtig und einmal falsch.
Richtiges Hochheben von Lasten

Schiefe Ebene

Ohne schiefe Ebene wäre der Pyramidenbau nicht möglich gewesen.

Pyramidenbau
Pyramidenbau

Kraftersparnis durch die schiefe Ebene

Hebe die Kugel auf die Mauer!
Hinweis: Wenn es auf direktem Weg nicht geht, dann hilft dir vielleicht die schiefe Ebene.

Je flacher die schiefe Ebene ist, umso geringer ist die notwendige Kraft. Allerdings wird dadurch der Weg länger. Deshalb muss man zwischen Kraftersparnis und Weglänge einen Kompromiss eingehen.

Beispiele aus dem Alltag

Der Schraubengang ist eine „aufgewickelte“ schiefe Ebene. Je kleiner die Ganghöhe der Schraube ist, umso leichter lässt sie sich in das Werkstück schrauben. Man muss dann allerdings viel mehr Umdrehungen machen.

Schraube
Eine Schraube ist eine „aufgewickelte“ schiefe Ebene.

Auf einer Rampe gelangt man leichter nach oben.

Öffentliche Treppe mit einer Rampe für Kinderwägen
Rampe für Kinderwägen

Durch Serpentinen wird der Aufstieg kraftsparender. Allerdings muss man dabei einen weiten Weg zurücklegen.

Serpentinen
Serpentinen auf einem steilen Berghang

Umlenkrolle und Flaschenzug

Manchmal hebt man eine Last leichter, wenn man die Richtung der Kraft ändert. Das kann man sehr leicht mit einer Rolle machen. Da durch die Rolle die Kraftrichtung „umgelenkt“ wird, nennt man eine solche Rolle Umlenkrolle.

Hier siehst du zwei Beispiele dafür:

Umlenkrolle am Dach
Mit der Umlenkrolle am Dach kann man leichter Möbel in die Höhe transportieren.
Kletterer mit einem Sicherunghaken an der Bergwand.
Der Haken im Felsen hat dieselbe Aufgabe wie eine Umlenkrolle.

Eine festsitzende Umlenkrolle bringt jedoch keine Kraftersparnis.

Eine Kraftersparnis bringt aber die folgende Vorrichtung: Die Gewichtskraft des Massestücks, die man aufbringen muss, um das Massestück im Gleichgewicht zu halten, wird durch die lose Rolle auf zwei Seilstücke aufgeteilt. Im Vergleich zu einem direkt an der Last angebrachten Seil muss man daher nur halb so viel Kraft aufwenden.

Lose Rolle
Lose Rolle

Allerdings tut man sich oft leichter, wenn man mit dem Seil nach unten ziehen kann. Deshalb verbindet man meist lose Rollen mit Umlenkrollen.

Man kann natürlich auch mehrere Rollen kombinieren:

1 feste Rolle
1 feste Rolle
1 feste und 1 lose Rolle
1 feste und 1 lose Rolle
2 feste und 1 lose Rollen
2 feste Rollen und 1 lose Rolle
2 feste und 2 lose Rollen
2 feste und 2 lose Rollen

Eine feste Rolle bringt keine Kraftersparnis. Mit einem System, in dem feste und lose Rollen miteinander kombiniert sind, kann man sich aber viel Kraft ersparen. Eine Vorrichtung mit mehreren festen und beweglichen Rollen nennt man Flaschenzug.

Flaschenzug am Schiff bestehend aus mehreren Rollen
Flaschenzug

Die Kraftersparnis durch einen Flaschenzug kann man leicht ausrechnen:

$$ \frac{\textnormal{Last}}{\textnormal{Anzahl der Rollen}} $$ = aufzubringende Kraft

Seilzugsimulator

Baue einen Seilzug! Bringe dazu zuerst feste und lose Rollen an und spanne dann das Seil ein, indem du es in der richtigen Reihenfolge auf die Rollen ziehst!

23. Kraftsparende Vorrichtungen
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