Einfache Maschinen

Schiefe Ebene, Keil und Schraube

Bei der Verwendung von einfachen Maschinen, insbesondere in einer geneigten Ebene, ist es oft keine Verringerung der Arbeit. Dies ist eine Verringerung der Leistung, die wir aufbringen müssen.Wir werden die Effizienz der Verwendung der geneigten Ebene als Beispiel erläutern. Ziehen wir eine Last von 50 kg bis zu einer Höhe von 5 Metern nach einer um 10 Meter geneigten Ebene, verwenden wir die Hälfte der Kraft, die wir brauchen, um die Last direkt auf die Höhe zu ziehen. Niedrigere Energie wird für eine längere Zeit ausgegeben.

Keil

Der Keil kann als zwei gegenüberliegende geneigte Ebenen verstanden werden. Obwohl die direkte Anwendung dieses Prinzips nicht so häufig ist und nur in bestimmten Sektoren (Holzspaltungskeilen) vorkommt, wird das Prinzip ziemlich häufig verwendet, beispielsweise in der Aerodynamik. Dies ist ein Bereich, der das Eindringen und die Beweglichkeit von Körpern in Flüssigkeiten (in Luft, in Wasser) untersucht. Hier geht es auch darum, bei gleicher Kraft eine bessere Leistung zu erzielen. Neue Autodesigns werden in einer Strahlkammer getestet, in der es beobachtet wird, wie das Auto die Luft überwinden kann. Je keilförmiger oder vorne abgeflacht, desto leichter wird das Auto durch den Widerstand fahren können und die Kraft des Motors wird dabei effizienter genutzt, um sich vorwärts zu bewegen (d. h. durch die Luft). Das Prinzip der abgeflachten Spitze wird zum Beispiel bei Messern, Papierschneidern, Bleistiftspitzern, Nadeln, Stricknadeln und Nägeln genutzt. Das Grundprinzip einer schiefen Ebene verwendet auch die Schraube, die auch für ein leichteres Eindringen in das Material sorgt. Darüber hinaus kann der Keil auch dazu verwendet werden, Objekte gegen Bewegung zu sichern, beispielsweise einen Keil in der Tür. Im Vergleich zu einem Keil hat die gekrümmte geneigte Ebene in der Form einer Schraube jedoch eine breitere Verwendung.

Schraube

Die Schraube ist im Prinzip eine gekrümmte geneigte Ebene. Sie ermöglicht eine Bewegung von unten nach oben durch Drehbewegung. Zusätzlich zu der klassischen Verwendung einer Schraube zum Verbinden zweier Materialien wird das Prinzip der Schraube beispielsweise bei der Konstruktion einer Wendeltreppe, Serpentinenwegen in den Hügeln, Schraubstöcke, höhenverstellbaren Stühlen, verstellbaren französischen Schlüsseln, Gewindeabdeckungen an Gläsern und Flaschen, in Lampenfassungen, Bohrern, Wasserleitungen aber auch in Kugelschreibern verwendet. Auch als Schiffsschraube oder Flugzeugturbine kommt die Schraubenform zum Einsatz. Durch Bewegen der Schraube in der Flüssigkeit (Gas oder Flüssigkeit) ist es möglich, das Objekt vorwärts zu bewegen. In anderen Fällen sind die Schrauben in Wasser eingetaucht und drehen das Wasser zu der Pumpe, wo es verwendet werden kann. Solche Pumpen werden häufig in Be-und Entwässerungsbetrieben verwendet. Speziell angepasste Schrauben können feste, flüssige und gasförmige Stoffe von einem Ort zum anderen liefern. Der Schraubenmechanismus kann auch zum Heben anderer Körper verwendet werden. Selbst eine sehr schwache Person kann ein Auto mit einem Schraubheber heben. Genau wie bei der schiefen Ebene wird auch hier der Arbeitsaufwand über eine längere Strecke ausgedehnt – wir heben das Auto sehr langsam in kleinen Stücken an. Je dichter das Gewinde, desto weniger arbeiten wir mit dem Wagenheber.

Wenn wir zwei Schrauben mit gleicher Länge, aber unterschiedlicher Gewindesteigung nehmen, können wir sehen, dass sich die Schrauben bei gleicher Schraubenlänge in der Anzahl der Gewinde unterscheiden. Wenn wir die zwei verschiedenen Wendeltreppen nehmen, die wir bis auf die gleiche Höhe hochsteigen wollen, stellen wir fest, dass das Steigen auf einer Treppe schwieriger ist, sogar auf der mit den höheren Stufenabständen, die sich weniger oft um die Treppenachse dreht.

Arten von Schrauben

Schrauben werden verwendet, um Holz (und ähnliche Materialien), sowie Metall zu verbinden. Dementsprechend unterscheiden wir zwischen selbstschneidenden und metrischen Schrauben:

Selbstschneidende Schrauben sind für Holz geeignet – sie haben scharfe Spitze, größere Spannweiten und benötigen keine Muttern. Sie werden mit einem Schraubendreher (Werkzeug) direkt in das zu verbindende Material gebohrt. Metrische Schrauben werden so verwendet, dass die Löcher, in denen die Schrauben befestigt sind, im Material vorgebohrt werden müssen. Daraus ergibt sich, dass beide Arten von Schrauben nach dem gleichen Prinzip einer einfachen Maschine arbeiten, jedoch andere Eigenschaften der verbundenen Materialien beim Verbinden von Materialien verwenden. Es ist auch interessant, die Werkzeuge zu verwenden, mit denen wir die Schraube im Material bewegen. Dies sind oft Schraubenzieher, die nach dem Hebelprinzip arbeiten. Je gröber der Griff, desto einfacher ist es, mit der Schraube zu arbeiten.

Hebel

Die praktische Verwendung des Hebels ist seit jeher bekannt. Eine der ersten sinnvollen Anwendungen war das Katapult, das das Werfen von Steinen (später Sprengkörpern, brennenden Gegenständen und Bienenstöcken) auf den Feind über eine relativ große Entfernung ermöglichte.

Die Schubkarre ist ein typisches Beispiel für einen Hebel zweiter Klasse. Hier gibt es einen Drehpunkt, der in der Mitte des Rades der Schubkarre liegt, und zwei Kraftarme, auf die eingewirkt werden kann um das Gewicht bewegen zu können. Ein Beispiel für einen Doppelhebel dieser Klasse ist beispielsweise auch der Nussknacker für Nüsse. Der Drehpunkt befindet sich am Anfang des Hebels, an dem beide Arme zusammengeführt werden. Der Widerstand (Nuss) liegt in der Nähe des Stützpunktes und wir müssen gegen den Widerstand auf das entgegengesetzte Ende des Hebels einwirken.

Der Hebel der dritten Klasse oder einseitiger Geschwindigkeitshebel wird definiert als ein Hebel, bei dem der Angriffspunkt der Kraft zwischen den Drehpunkt und dem Angriffspunkt der Last liegt. Ein typisches Beispiel wäre eine Pinzette oder des menschlichen Unterarmes bzw. das Ellenbogengelenk. Der Ellenbogen hier wirkt als Drehachse, die Last des zu tragenden Gegenstands wirkt nach unten. Die Muskelkraft des Bizepses wirkt in entgegengesetzter Richtung nach oben. Da der Bizeps-Muskel um ein Vielfaches näher an der Drehachse am Unterarm angreift als die Last, muss die dort wirkende Kraft um ein entsprechendes Vielfaches größer sein. Andere Beispiele für die Verwendung des Hebels der dritten Klasse sind die Angel, der Besen und die Fliegenklappe. Bei dieser Art von Hebel wird die Kraft in Geschwindigkeit und Distanzüberbrückung umwandelt. 

Rad und Achse, Welle und Zahnräder

Das Rad wurde immer als die größte Entdeckung der Menschheitsgeschichte angesehen. In der Realität würde es jedoch ohne Verknüpfung mit einer Achse fast keinen Sinn geben. Diese Achse ist ein Stab oder eine Stange, die durch die Mitte des Rads verläuft und das Rad frei um sich drehen lässt. Wenn wir die Achse drehen, dreht sich das Rad und umgekehrt. Auf diese Weise können wir die Kraft für Bewegung nutzen. Räder finden sich in allen Vorrichtungen, die eine Drehbewegung ausführen (aber nicht nur in ihnen), beispielsweise in einem Fön, in Motoren, im Karussell und natürlich beim Fahrrad. Zahnräder sind wiederum eine etwas speziellere Form des Rades, wie der Name schon sagt, haben sie in regelmäßigen Abständen Zähne am Rad. Wenn wir mehrere Zahnräder nutzen, können wir zum Beispiel eine Bewegung von einem Rad zum anderen übertragen. Für den Fall, dass die Räder nicht gleich groß sind, können wir durch die Verbindung dieser Räder die Bewegung der Radachse beschleunigen oder verlangsamen.

Im Vergleich zu einem mechanischen Bleistiftspitzer benötigt der Fleischwolf zum Beispiel einen größeren Griff, um gut arbeiten zu können. Dieser Unterschied kann durch Vergleichen des Abstands zwischen dem Ort der Kraftwirkung und dem Ort des Kraftwiderstandes erklärt werden. Nach dem gleichen Prinzip ist es möglich zu erklären, warum ein größeres Lenkrad besser zu handhaben ist als ein kleineres. Die Rad-Achse-Kombination kann mit Hilfe eines Riemens, einer Kette und Zahnrädern ihre Funktion auch etwas verändern. Fahrräder sind Beispiele für Räder und Achsen, die durch eine Kette verbunden sind. Da die Räder mit einer Kette verbunden sind, dreht sich das kleinere Rad mehrmals während sich das größere nur einmal drehen kann. Durch die Zahnräder können wir die Bewegungsgeschwindigkeit der Teile ändern, die an den Achsen der Zahnräder befestigt sind. Der mechanische Vorteil der zwei Zahnräder, die durch eine Kette verbunden sind, kann durch das Verhältnis der Anzahl der Zähne an dem einen und dem anderen Rad berechnet werden.

Rolle

Wenn sehr schwere Körper angehoben werden müssen, kann auch ein Flaschenzug verwendet werden um die aufzuwendende Kraft zu verringern. Allerdings muss in manchen Fällen ein längerer Zieh-Weg in Kauf genommen werden. Außer einem Seil werden in Flaschenzügen auch Rollen verwendet. Eine bewegliche Rolle reduziert den Kraftaufwand beim Ziehen der Last - das erleichtert die Arbeit. Eine feste Rolle kann die Arbeit auch verringern, jedoch nicht die Kraft, die aufgewendet wird. Mittels fester Rollen werden Kräfte umgelenkt. Sie sind so befestigt, dass sie ihre Position während des Zugvorganges nicht verändern. Die Zugkraft, die gebraucht wird, bleibt unverändert und ist genauso groß wie die Kraft des Gewichtes, aber die Zugrichtung wird beeinflusst. Manchmal ist es nämlich einfacher, eine Kraft in eine andere Richtung aufzubringen.

Kurbelwelle

Die Kurbelwelle ist eine andere Art von Wellen- und Radkupplung und wird gewöhnlich dort verwendet, wo sich die Richtung der Kraft ändert oder die hin- und hergehende auf eine rotierende Bewegung geändert werden muss. Gegenwärtig wird sie zum Beispiel verwendet, um die Drehbewegung in einem Automotor zu übertragen. Die Kurbel befindet sich normalerweise am Rand des Spinnrades. Wenn sich das Rad dreht, bewirkt die angebrachte Kurbel eine Bewegung (zum Beispiel eines Kolbens) in einer bestimmten Konstruktion hin und her. In ähnlicher Weise ändert sich die Bewegung der Beine auf den Pedalen des Fahrrades hin und her zu der Drehbewegung des Fahrradrades. In fast alle Motorsägen sind zum Beispiel auch Kurbelwellen eingebaut, früher auch oft noch in mechanischen.

Die entgegengesetzte Veränderung der Bewegung, von der Bewegung des Dampfkolbens zu einer Drehbewegung der Räder hin, verwendeten die Dampflokomotiven. Durch Erhitzen des Wassers gab es einen Wasserdampf, der den Kolben drückte und das Rad bewegte. In der extrudierten Position des Kolbens entwich der Dampf, der Kolben kehrte zurück und der Zyklus konnte sich wiederholen.

Klinke und ihre Verwendung

Bei der Konstruktion verschiedener Geräte müssen wir manchmal die Maschine oder Teile davon in nur eine Richtung bewegen, z. B. auf Drehkreuzen, die sich nicht zurückbewegen dürfen. In der Regel wird bei diesen Geräten eine sogenannte Klinke verwendet. Die Klinke ist ein am Zahnrad befestigter Hebel, dessen Ende in die Zähne des Zahnrads eingreift, so dass beim Versuch, das Rad in die falsche Richtung zu drehen, eine Bewegung verhindert wird (Arretierung). Das Zahnrad selbst hat Zähne, die an die Klinke angepasst sind (schräg mit Neigung). Wir nennen dieses Zahnrad auch das Klinkenrad.

Klinken werden beispielsweise auch in Pendeluhren verwendet, um die Zahnräder zu schieben. Während das Pendel hin und her schwingt und die Zeiger in eine Richtung in der Uhr bewegt werden müssen, braucht es eine Klinke, die bei der Rückkehr des Pendels die Drehung des Klinkenrades und der damit verbundenen Zahnräder verhindert. Die Klinke wird auch an Rollläden, aber auch an Sicherheitsgurten in Autos verwendet. Der Sicherheitsgurtmechanismus ist etwas komplizierter, weil der Anschlag der Gurtbewegung nur im Crashfall aktiviert werden muss. Normalerweise wird ein Gewicht auf die Klinke gelegt. Das Gewicht bewegt sich vorwärts, wenn der Wagen schnell stoppt und aktiviert die Klinke.

Kombinationen von einfachen Maschinen

Viele Geräte arbeiten mit einer Kombination aus zwei oder mehreren dieser einfachen Maschinen. Beispiele für solche Werkzeuge sind beispielsweise Scheren. Während die Klinge nach dem Keilprinzip arbeitet (Scherenblätter vorne spitz, hinten breiter), verwendet man die Griffe nach dem Hebelprinzip. Der Rasenmäher verwendet die Kombination des Keils (der Klinge), des Rades und der Achse, an der die Klingen angeschlossen sind. Es gibt noch einer Menge anderer Maschinen die eigentlich aus mehreren einfachen mechanischen Funktionsweisen abgeleitet worden sind. Sogar sehr komplizierte Maschinen können im Prinzip in eine Gruppe von einfachen Maschinen zerlegt werden, die zusammenwirken, um den resultierenden Effekt zu erzeugen.

Rube-GoldbergMaschine

Rube Goldberg lebte zwischen 1883 und 1970, und er wurde berühmt für sein komplexes System von einfachen Maschinen, mit welchem er am Ende ganz einfache Tätigkeiten ausführen konnte, zum Beispiel einen Vogel aus seinem Käfig lassen. Es werden regelmäßig Wettbewerbe organisiert, bei denen es darum geht, die beste sogenannte Rube-Goldberg-Maschine zu entwerfen und zu bauen. Das Wettbewerbsprinzip besteht beispielsweise darin, das Licht oder den Toaster auf die interessanteste und innovativste Art und Weise mit einer Kombination verschiedener Eintaktmaschinen einzuschalten.