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.
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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?
Für die Ruderer ist es wichtig, dass das Ruderblatt am längeren Hebelarm sitzt. Dadurch wird mit einem Schub viel Weg zurückgelegt.
Die Bizepssehne muss eine größere Kraft aushalten, weil sie am kurzen Hebelarm ansetzt.
Da der Kiefer ein einseitiger Hebel mit dem Drehpunkt im Kiefergelenk ist, üben die Backenzähne einen großen Druck aus und können die Nahrung zerquetschen.
Beim Hochheben von Lasten (z. B. Mineralwasserkiste) ist es wichtig, dass der Hebelarm nicht zu lang wird.
Schiefe Ebene
Ohne schiefe Ebene wäre der Pyramidenbau nicht möglich gewesen.
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.
Auf einer Rampe gelangt man leichter nach oben.
Durch Serpentinen wird der Aufstieg kraftsparender. Allerdings muss man dabei einen weiten Weg zurücklegen.
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:
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.
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:
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.
Die Kraftersparnis durch einen Flaschenzug kann man leicht ausrechnen:
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!