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Es gibt zwei Klassen von Hebeln.

Zweiarmiger Hebel

Die Last (das ist eine Kraft) ist auf der einen Seite des Drehpunktes (Stützpunkt genannt), und die aufzubringende Kraft wirkt auf der anderen Seite. Das funktioniert wie eine Wippe, wenn wir die eine Seite des Hebels nach unten drücken, geht die andere nach oben. Die aufzubringende Kraft wird durch den Hebel in eine in entgegengesetzter Richtung wirkende Kraft (, die die Last hebt,) umgeformt.

Der Hebel mit dem Sie die Büchse geöffnet haben und die Zange arbeiten beide auch nach diesem Prinzip.

Einen Kraftvorteil gewinnt man, wenn der Stützpunkt/Drehpunkt nahe der Last und möglichst weit vom Angriffspunkt der Kraft entfern ist: die aufzubringende Kraft ist dann geringer als die Last, der Weg jedoch größer. (So kann man z. B. sehr schwere Gegenstände bewegen)

Beachten Sie: Beide Kräfte haben einander entgegengesetze Richtung.

Um einen mechanischen Vorteil beim Arbeiten mit Hebeln zu erreichen, neigen wir dazu, die Hebel am liebsten nach unten zu drücken. Dadurch arbeiten wir mit der Gravitationskraft indem wir unser Körpergewicht einsetzen. Das kann dann gegebenenfalls so mühelos wie beim Hinsetzen auf einer Wippe geschehen.

Bei genauerer Betrachtung wird Ihnen aufgefallen sein, daß sich sowohl die Last als auch der Angriffspunkt der Kraft bei der Anwendung von Hebeln auf Kreisbögen bewegen (um den Stützpunkt/Drehpunkt drehen).

Einarmiger Hebel

In diesem Fall müssen Sie eine Kraft in die Richtung aufbringen, in die Sie die Last bewegen wollen. Das bedeutet die aufzubringende Kraft wird in eine in die gleiche Richtung wirkende Kraft umgeformt.

Auch hier ist der Kraftvorteil groß, wenn der Stützpunkt/Drehpunkt nahe der Last und möglichst weit vom Angriffspunkt der Kraft entfern ist.

Dabei gibt es zwei Möglichkeiten:

1. Die Last befindet sich näher am Stützpunkt/Drehpunkt als der Angriffspunkt der aufzubringenden Kraft

Die Schubkarre zählt zu dieser Art von Hebeln. Der Stützpunkt ist das Rad. Die Griffe sind die Angriffspositionen der aufzubringenden Kraft. Es ist vorteilhaft, die Last in der Nähe des Rades aufzulegen.

Der Nußknacker gehört ebenfalls dazu. Sie sollten herausgefunden haben, daß die Stelle am nächsten zum Angelpunkt am effektivsten ist, also zu gößerer Kraftwirkung auf die Nuß führt.

Für den Fall, daß die Längen der Griffe gleich sind, ist die Zange (zweiarmig) effektiver als der Nußknacker (einarmig), aber schwieriger zu kontrollieren.

Durch eine relativ kleine aufzubringende Kraft auf einem längeren Weg, kann man eine große Kraft auf einem kürzeren Weg erzeugen (Größenänderung).

2. Der Angriffspunkt der aufzubringenden Kraft befindet sich näher am Stützpunkt/Drehpunkt als die Last

Diese Art von Hebeln ist eigentlich sehr unproduktiv. Man braucht eine sehr große Kraft (auf einem kurzen Wege) um mit einer kleineren Kraft (auf einem längeren Wege auf die Last zu wirken. Deshalb wird eine solche Form des Hebels nur mit Blick auf kleine "Lasten", die bewegt werden sollen , angewandt.

Bei der Pinzette ist der Drehpunkt am Scheitel, die Last ist beispielsweise die Kraft, die das Haar festhält, das sie herausziehen wollen. Sie wirkt in Richtung des Haares. Um das Haar am leichtesten herausziehen zu können, müssen Sie die Pinzette nahe an den Enden anfassen. Die aufzubringende Kraft wirkt in der gleichen Richtung und muß größer sein als die zum Festhalten des Haares benötigte Kraft.

Diese Art von Hebeln wird oft im Sport verwendet. Wenn Sie einen Golfschläger schwingen, benutzen Sie ihren Körper als Angelpunkt. Die Arme und Hände liefern die aufzubringende Kraft, der kleine Ball am Ende des Schlägers die Last. Ein professioneller Golfer ist immer noch in der Lage, den Ball mit dem uneffektiven Hebel eine weite Entfernungen zu schlagen. Den Kraftnachteil gleicht der Golfspieler durch das Schwungholen und die hohe Geschwindigkeit, mit der der Schläger auf den Ball trifft, aus. Viele Ballspiele benutzen diesen Hebel. Vergleichen Sie Cricket, Tennis und Tischtennis. Wo ist der Stützpunkt/Angelpunkt, wo die aufzubringende Kraft und wo die Last?

Eine Angelrute ist ebenfalls ein Hebel dieser Klasse. Die Last (der Fisch) ist auf der einen Seite. Während Sie mit der einen Hand den Drehpunkt schaffen, ziehen Sie mit der anderen Hand an der Rute, um den Fisch aus dem Wasser zu holen. Man hat natürlich hier noch den Vorteil, den Fisch mit Hilfe von Spule und Kurbel aus dem Wasser ziehen zu können.

Aber von welcher Hebleart ist eine Tür? Das hängt davon ab, an welcher Stelle sie angefaßt wird:

Um die Kraftumformung an Hebeln beurteilen zu können, müssen Sie wissen, wo die Kraft und die Last angreifen (Kraftarm, Lastarm) und wie groß die Kräfte sind.

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Physikalische Gesetzmäßigkeiten am Hebel:

Die verrichtete Arbeit ist auf beiden Seiten des Hebels die gleiche. Die Arbeit berechnet man durch das Produkt aus Kraft und Weg in Kraftrichtung. (Daß sich genaugenommen die Hebelarme auf Kreisbögen bewegen und dadurch sich die für die verrichtete Arbeit verantwortliche Kraftkomponente ständig ändert, soll hier nur erwähnt werden. Für kleine Winkel ist diese Kraftänderung ohnehin klein. Darauf wird weiter unten noch einmal eingegangen.)

Der leicht zu formulierende physikalische Hintergrund für diese Experimente ist das Hebelgesetz. Es stellt einen Zusammenhang zwischen der Größe der aufzubingenden Kraft, der auf die Last wirkenden Kraft und den Abständen bzw. der Angriffspunkte beider Kräfte vom Stützpunkt/Drehpunkt her:

Kraft mal Kraftarm = Last mal Lastarm

(Legt man auf der einen Seite 2 Münzen in einer Entfernung von 3cm vom Drehpunkt entfernt auf die Wippe (zweiseitiger Hebel), so muß bei Benutzung nur einer weiteren Münze diese Münze 6 cm vom Drehpunkt entfernt auf der anderen Seite der Wippe hingelegt werden.)

Wird die Last auf einer Seite des (zweiarmigen) Hebels vergrößert (Auflegen weiterer Münzen) und steht auf der anderen Seite Hebels nur die bisherige Kraft (Gewicht einer Münze) zur Verfügung, so kann das Gleichgewicht durch Veränderung des Kraftarmes oder auch durch Veränderung von Kraftarm und Lastarm wiederhergestellt werden.

Durch die Veränderung der Entfernung vom Drehpunkt (kleinerer Lastarm und größerer Kraftarm) konnte im Experiment eine kleine Kraft (ein Geldstück) eine viel größere Kraft (4 Geldstücke) im Gleichgewicht halten bzw. auch hochheben. Das ist der mechanische Vorteil eines Hebels. Es wird weniger Kraft jedoch über eine größere Entfernung gebraucht.

Das Hebelgesetz am zweiseitigen Hebel läßt sich mittels des Gleichgewichtes zweier Drehmomente begründen.

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Physikalischer Hintergrund

Durch das Rotieren erzeugt die kleine Masse eine (von der Garnspule weg gerichtete) Zentrifugalkraft. Dieser wirkt das Gewicht der großen Masse entgegen und erzeugt die zugehörige Zentripedalkraft. Je schneller die kleine Masse rotiert, um so größer ist die Zentrifugalkraft.

- Rotiert sie langsam, ist das Gewicht und damit die Zentripedalkraft größer und die große Masse fällt nach unten, während die kleine Masse sich der Garnrolle nähert.

- Rotiert die kleine Masse schnell, ist die Zentrifugalkraft größer als als das Gewicht der großen Masse und die Zentripedalkraft, was zur Folge hat, daß die große Masse angehoben wird und die kleine Masse sich von der Garnrolle entfernt.

Dazwischen gibt es einen Gleichgewichtszustand.

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