Einfache Maschinen


Einfache Maschinen sind Werkzeuge, die zur Umwandlung von Kräften dienen. Dabei sind diese möglichst zweckmäßig zur Verrichtung von Arbeit einzusetzen.

Es gibt vier grundlegendem Arten von einfachen Maschinen: Seil, schiefe Ebene, Rolle, Hebel.

Dabei basiert jede aufwändigere Maschine auf einer Kombination von verschiedenen einfachen Maschinen.

In der Technischen Mechanisch versteht man unter dem Begriff einfache Maschinen: Maschinen, mit denen sich auf einfacher Weise Kraft einsparen lässt. Dabei beruht das Prinzip der einfachen Maschinen auf der „Golden Regel der Mechanik“ und besagt, das man im gleichen Verhältnis der gesparten Kraft mehr Weg zurücklegen muss. Es werden Richtung, Angriffspunkt oder Größe der Kraft verändert, wenn die der Weg, der zurückgelegt wird, größer wird.

Wie bereits erwähnt gibt es vier grundlegende Arten von einfachen Maschinen:

  • Seil und Stange: Verlängern den Angriffspunkt einer Kraft

Das Prinzip der Stange ist uns aus dem täglichen Alltag bekannt. Wenn man z.B ein Auto mit Hilfe einem Seil abschleppen oder einen Wagen mithilfe einer Deichsel schieben. Mit einem Seil kann man aber die Richtung einer Kraft bzw. die Größe nicht ändern, man kann aber den Angriffspunkt einer Kraft verlängern.

  • Hebel: Verändert Angriffspunkt und Größe einer Kraft, und kehr ihre Richtung um. Unter einem Hebel steht man eine, um eine feste Achse drehbar gelagerte, Stange. Man kennt vielleicht aus der Schule das Hebelprinzip. Es ist bekannt, dass die Kraft bei einem längeren Hebelarm verstärkt wird. Es hängt von dem Produkt der Kräfte am Hebelarm, die senkrecht, auf diesem stehen, und der Entfernung des Angriffspunktes von der Hebelachse ab. Kraft x Länge. Es entstehen also Drehmomente. Gleichgewicht herrscht, wenn die Drehmomente auf beiden Achsenseiten sich gegenseitig aufheben. Wenn ein Drehmoment überwiegt, beschleunigt der Hebel in dieser Richtung.
  • Rolle: Es verlagert den Angriffspunkt und dreht die Richtung der Kraft um. Die Rolle ist aus vielen Beispielen aus dem Alltag bekannt. Sowieso z.B bei Aufzügen. Der Motor sitzt dort meist auf dem Erdboden. Durch die Rolle kann die Kraft anschließend auf die Gebäudespitze umgeleitet werden, und somit der Fahrstuhl nach oben gezogen werden. Dabei bleibt die Kraft auch hier unverändert.

Mehrere Rollen zusammen können einen Flaschenzug bilden, der auch den Betrag einer Kraft verändern kann. Dadurch kann z.B die Kraft, die benötigt wird um die Gewichtskraft entgegen zu wirken, verringert werden. Die zurückgelegte Strecke der ziehenden Kraft ist aber größer.

F = FG / n

n… Anzahl der Rollen

  • Schiefe Ebene: Veränderten die Größe und Richtung der Kraft. Das Prinzip ist im Alltag auch oft als Rampe bekannt. Man tut sich viel leichter ein Fass eine Rampe hochzurollen, als das Fas die gleiche Höhendifferenz zu heben. Es muss also die benötige Kraft geringe sein.

In der schiefen Ebene herrscht dann ein Gleichgewicht der Kräfte, wenn die Zugkraft Fz gleich der Gewichtskraft FG * der Steigung sin(α) ist.

Fz=FG*sind(α)

Sonderformen von einfachen Maschinen

  • Einseitiger Hebel: Bei einem einseitigen Hebel, wie z-B dein Unterarm oder ein Schraubenschlüssel, befindet sich die Drehachse am Ende eines starren Körpers. Die Kräfte am Hebel greifen also nur auf eine Seite der Drehachse an. Er befindet sich im Gleichgewicht, wenn die Summe der Kräfte, die nach oben wirken gleich der Summe der Kräfte die nach unten wirken ist.
  • Wellrad: Im Grundlegeden kann ein Wellrad physikalisch einem Hebel zugeordnet werden. Dabei spielt die Richtung der Kraft beim Wellenrad nur eine untergeordnete Rolle. Der Hebelarm entspricht den Radius des Rades.

Ein Wellrad besteht aus 2 oder mehr verschieden großen „Rädern“. Diese sind auf einer Achse fest miteinander verbunden. Grundsätzlich kann man das Wellrad als zweiseitigen Hebel unterordnen. Dabei spielt die Wirkungslinie der Kraft keine Rolle.

F1⋅r1=F2⋅r2

F2 und F2 sind Kräfte, die in die entgegengesetzte Richtung wirken. Wie man erkennen kann, hängt das Gleichgewicht von den Radien der Räder ab. Ein größerer Radius bedeutet man benötigt weniger Kraft.

Damals wurden Wellräder häufig bei Brunnen eingesetzt. Sie kamen aber auch zum Aufwickeln von Seilen auf Haspeln zum Einsatz. Heutzutage kennt man das Wellenrad aus dem Fahrradantrieb. Insbesondere bei der Kettenschaltung kommt dieses Prinzip zum Einsatz.

  • Hydraulische Systeme: Hydraulische Systeme übertragen und verstärken Kräfte. Vorrichtungen, bei denen Kräfte Mithilfe von Flüssigkeiten übertragen und verstärkt werden, nennt man hydraulische Systeme. Beispiele für hydraulische Systeme wären Bagger, Schaufellader, Traktorvorrichtungen und auch die Bremse im Auto. Hydraulische Systeme verändern den Angriffspunkt, die Richtung und den Betrag einer Kraft.

Während Hebeln oft unförmig und lang sind, sind hydraulische Systeme oft sehr klein und handlich. Entscheidend für die Verstärkung der Kraft ist dabei lediglich das Verhältnis der Querschnittfläche der beiden Kolben. In häutigen hydraulischen Systemen beträgt der Druck bis zu 200bar.

Bei komplexeren hydraulischen Systemen wird oft mit einem Vorratsbehälter gearbeitet. Dadurch sind höhere drücke möglich, und der Druckkolben muss nicht so lange Wege zurücklegen, sondern kann wiederholt auf und ab bewegen.

Geschichte:

Einfache Maschinen lassen sich schon vereinzelt im Tierreich nachweisen. Es benutzten schon Schimpansen Stöcke als Hebel, um Bienennester aufzubrechen.

Werkzeuge wie der Hebel und der Keil zum Heben schwerer Massen sind wohl im Steinzeitalter benutzt worden. Im alten Ägypten wurde schon damals Umlenkrollen verwendet. Einfache Maschinen sind die Grundlage und Basis für Maschinen im heutigen Sinne.

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