Einfache Maschinen – Hebel

Einfache Maschinen sind mechanische Geräte, die zur Arbeitserleichterung eingesetzt werden. Kombinationen aus zwei oder mehr einfachen Maschinen, die zusammenarbeiten, werden als zusammengesetzte Maschinen bezeichnet. Diese Maschinen schaffen Systeme für verschiedene Arten von Bewegungen, die auftreten, wenn eine Kraft auf eine Last ausgeübt wird. Sowohl einfache als auch zusammengesetzte Maschinen erleichtern die Arbeit, indem sie die Größe oder Richtung der Kraft ändern. Es gibt sechs Standardtypen von einfachen Maschinen. Sie sind die:

  • Hebel
  • Rad und Achse
  • Pulley
  • Schiefe Ebene
  • Keil
  • Schraube

Betrachten wir die erste dieser einfachen Maschinen: den Hebel.

Missverständnis-Alarm

Wenn Sie das Wort „Maschine“ hören, denken Sie automatisch an etwas mit einem Motor, wie einen Gabelstapler oder eine Waschmaschine? Maschinen müssen nicht zwangsläufig einen Motor haben. Tatsächlich ist eine Maschine jedes Gerät, das Kraft überträgt oder modifiziert.

Was ist ein Hebel?

Ein Hebel ist eine einfache Maschine, die aus einem starren Balken und einem Drehpunkt besteht. Die Kraft (Eingangskraft) und die Last (Ausgangskraft) werden an beiden Enden des Balkens aufgebracht. Der Drehpunkt ist der Punkt, an dem der Balken schwenkt. Wenn eine Kraft auf ein Ende des Hebels ausgeübt wird, wird eine Last am anderen Ende des Hebels ausgeübt. Dadurch wird eine Masse nach oben bewegt. Hebel sind für ihren Betrieb auf ein Drehmoment angewiesen. Das Drehmoment ist die Menge an Kraft, die erforderlich ist, um ein Objekt um seine Achse (oder seinen Drehpunkt) zu drehen.

Was ist ein mechanischer Vorteil?

Ein Hebel bietet einen mechanischen Vorteil. Der mechanische Vorteil bezieht sich darauf, wie sehr eine einfache Maschine eine aufgebrachte Kraft vervielfacht. Die Lage der Kraft, der Last und des Drehpunkts bestimmen die Art des Hebels und die Höhe des mechanischen Vorteils, den die Maschine hat. Je weiter der Kraftaufwand vom Drehpunkt entfernt ist, desto einfacher ist es, die Last zu bewegen.

Der mechanische Vorteil kann mit dieser Formel berechnet werden:

Mechanischer Vorteil ist gleich dem Verhältnis von Kraft zu Last sowie dem Abstand von Kraft zu Drehpunkt zu dem Abstand von Last zu Drehpunkt Drehpunkt
Der mechanische Vorteil ist gleich dem Verhältnis der Kraft zur Last sowie dem Abstand von der Kraft zum Drehpunkt zum Abstand von der Last zum Drehpunkt (©2020 Let’s Talk Science).

Wenn der Abstand von der Kraft zum Drehpunkt größer ist als der Abstand von der Last zum Drehpunkt, dann hat der Hebel einen mechanischen Vorteil. Mit anderen Worten: Das Verhältnis dieser beiden Abstände ist größer als eins. Das bedeutet, dass ein großer Abstand von der Kraft zum Drehpunkt und ein kleiner Abstand von der Last zum Drehpunkt es ermöglicht, mit einer kleinen Kraft eine große Last zu bewegen!

Grundlegende Teile eines Hebels mit den Positionen von Balken, Drehpunkt, Kraft und Last
Grundlegende Teile eines Hebels mit den Positionen von Balken, Drehpunkt, Kraft und Last (© 2019 Let’s Talk Science).

Hebel erster Klasse

Es gibt drei Arten oder Klassen von Hebeln.

Bei einem Hebel erster Klasse befindet sich der Drehpunkt zwischen der Last und der Kraft.

Bei einem Hebel erster Klasse befindet sich der Drehpunkt zwischen der Last und der Kraft
Bei einem Hebel erster Klasse befindet sich der Drehpunkt zwischen der Last und der Kraft. Wenn der Drehpunkt näher an der Last liegt, ist weniger Kraftaufwand erforderlich, um die Last zu bewegen (©2020 Let’s Talk Science).

Wenn der Drehpunkt näher an der Last liegt, dann ist weniger Kraftaufwand erforderlich, um die Last über eine kürzere Strecke zu bewegen. Befindet sich der Drehpunkt näher an der Last, ist mehr Kraftaufwand erforderlich, um die Last über eine größere Distanz zu bewegen. Eine Wippe, ein Wagenheber und ein Brecheisen sind alles Beispiele für Hebel erster Klasse. Hebel erster Klasse sind sehr nützlich, um große Lasten mit geringem Kraftaufwand zu heben.

Zu den Hebeln erster Klasse gehören Scheren (links), Wippen (Mitte) und Brechstangen (rechts)
Zu den Hebeln erster Klasse gehören Scheren (links), Wippen (Mitte) und Brechstangen (rechts) (Quellen: Thamizhpparithi Maari via Wikimedia Commons, Tiia Monto via Wikimedia Commons und Pearson Scott Foresman via Wikimedia Commons).

Hebel zweiter Klasse

Bei einem Hebel zweiter Klasse befindet sich die Last zwischen der Kraft und dem Drehpunkt.

Bei einem Hebel zweiter Klasse befindet sich die Last zwischen der Kraft und dem Drehpunkt.
Bei einem Hebel zweiter Klasse befindet sich die Last zwischen der Kraft und dem Drehpunkt. Wenn der Drehpunkt näher an der Last liegt, ist weniger Kraftaufwand erforderlich, um die Last zu bewegen (©2020 Let’s Talk Science).

Wenn sich die Last näher am Drehpunkt befindet als der Kraftaufwand, dann ist weniger Kraftaufwand erforderlich, um die Last zu bewegen. Liegt die Last näher am Drehpunkt als der Kraftaufwand, dann ist mehr Kraftaufwand erforderlich, um die Last zu bewegen. Eine Schubkarre, ein Flaschenöffner und ein Ruder sind Beispiele für Hebel zweiter Klasse.

Hebel zweiter Klasse werden bei Schubkarren (links), beim Zehenspitzengehen (Mitte) und bei Liegestützen verwendet
Hebel zweiter Klasse werden bei Schubkarren (links), beim Zehenspitzengehen (Mitte) und bei Liegestützen verwendet (Quellen: MarkusHagenlocher via Wikimedia Commons, BruceBlaus via Wikimedia Commons und U.S. Navy via Wikimedia Commons).

Hebel dritter Klasse

Bei einem Hebel dritter Klasse befindet sich die Kraft zwischen der Last und dem Drehpunkt.

Bei einem Hebel dritter Klasse befindet sich die Kraft zwischen der Last und dem Drehpunkt.
Bei einem Hebel dritter Klasse befindet sich die Kraft zwischen der Last und dem Drehpunkt. Wenn der Drehpunkt näher an der Last liegt, ist weniger Kraft erforderlich, um die Last zu bewegen (©2020 Let’s Talk Science).

Wenn der Drehpunkt näher an der Last liegt, ist weniger Kraftaufwand erforderlich, um die Last zu bewegen. Liegt der Drehpunkt näher an der Kraft, dann bewegt sich die Last über eine größere Strecke. Eine Pinzette, das Schwingen eines Baseballschlägers oder das Heben eines Gegenstandes mit dem Arm sind Beispiele für Hebel dritter Klasse. Diese Hebel sind nützlich, um präzise Bewegungen auszuführen.

Beispiele für Hebel dritter Klasse
Hebel dritter Klasse werden beim Schwingen eines Tennisschlägers (links), bei Klammerentfernern (Mitte) und beim Heben von Gegenständen mit Hilfe der Muskeln in Ihrem Bizeps (rechts) verwendet (Quellen: Australian Paralympic Committee via Wikimedia Commons, Frank C. Müller via Wikimedia Commons und John Seb Barber via Wikimedia Commons).

Hebel sind sehr nützliche einfache Maschinen, die zur Übertragung von Kraft verwendet werden. Sie wissen es vielleicht nicht, aber Sie benutzen Hebel jeden Tag!

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