Räder und Achsen

Die Erfindung von Rad und Achse (die Stange, um die sich ein Rad dreht) vor etwa 5500 Jahren im Nahen Osten revolutionierte das Transportwesen und brachte nach und nach große Veränderungen für die Gesellschaft mit sich, aber was machte sie so besonders?Es ist einfacher, einen mit einer schweren Kiste beladenen Wagen zu schieben, als die gleiche Kiste über den Boden zu schieben, weil die Räder und Achsen des Wagens die Reibung verringern und eine Hebelwirkung haben. Wie das geht, erfährst du in unserem Hauptartikel über die Funktionsweise von Rädern.

Artwork: Ein Rad kann entweder als Kraftvervielfältiger oder als Geschwindigkeitsvervielfältiger funktionieren (aber nicht beides gleichzeitig).Wenn du die Außenseite (Felge) eines Rades drehst, dreht sich die Achse in der Mitte mit weniger Geschwindigkeit, aber mehr Kraft, also funktioniert das Rad als Kraftvervielfältiger. Die Achse dreht sich nur ein kurzes Stück (blauer Pfeil), aber durch die Hebelwirkung des Rades dreht sich die äußere Felge in der gleichen Zeit viel weiter (roter Pfeil). So hilft ein Rad, schneller zu fahren.

Große Räder werden auch auf andere Weise zur Kraftvervielfachung eingesetzt.Rohre zum Beispiel sind mit Rädern ausgestattet, die als Absperrhähne (oder Absperrventile) bezeichnet werden. Wenn man den äußeren Rand eines Absperrhahns dreht, dreht sich die innere Achse mit viel größerer Kraft, so dass sich das Rohr leichter schließen lässt. Auch Lenkräder funktionieren auf diese Weise. Ein Lkw oder ein Bus hat oft ein größeres Lenkrad als ein Pkw, weil es mehr Kraft erfordert, die Räder zu drehen. Das größere Rad gibt dem Fahrer mehr Hebelkraft.

Räder können sowohl den Abstand und die Geschwindigkeit als auch die Kraft vervielfachen. Fahrräder haben große Räder, damit sie schneller fahren. Wenn du in die Pedale trittst, treibst du die Innenseite des Rades an. Aber der äußere Rand des Rades dreht sich schneller und legt mehr Strecke zurück, so dass das Treten eine viel größere Wirkung hat. Autoräder funktionieren auf die gleiche Weise.

Schubkarren kombinieren Räder und Hebel mit brillanter Wirkung. Eine Schubkarre macht es wirklich einfach, eine Last von einem Ort zum anderen zu transportieren – aus zwei Gründen. Erstens wirkt ihr langer Rahmen wie ein Hebel, so dass sich die Last viel leichter anheben lässt. Zweitens ist es einfacher, die Last mit einer Schubkarre zu schieben, weil die einzige Reibung zwischen dem Rad und der Achse besteht.

Getriebe

Foto: Ein Zahnrad besteht aus zwei oder mehr Rädern unterschiedlicher Größe, deren Kanten mit Zähnen versehen sind, die dafür sorgen, dass sie „ineinandergreifen“ (sich gemeinsam drehen, ohne zu verrutschen).

Getriebe sind Räder mit Zähnen, die entweder die Geschwindigkeit einer Maschine oder ihre Kraft erhöhen können, aber nicht beides gleichzeitig. Bei Fahrrädern wird die Schaltung auf beide Arten verwendet. Wenn man einen Berg hinauffahren will, benutzt man die Gangschaltung, um die Kraft zu erhöhen, damit man sich nicht so anstrengen muss, aber der Haken ist, dass sie gleichzeitig die Geschwindigkeit verringert. Wenn du auf einer geraden Straße fährst, kannst du die Gänge benutzen, um deine Geschwindigkeit zu erhöhen, aber der Haken ist, dass sie deine Kraft verringern. Auch wenn es auf den ersten Blick nicht ersichtlich ist, funktionieren Zahnräder genauso wie Hebel (genau wie Räder), und das ist sehr erklärungsbedürftig, weshalb wir hier nicht näher darauf eingehen. Stattdessen kannst du alles darüber in unserem Artikel über Zahnräder nachlesen.

Riemenscheiben

Stellt man zwei oder mehr Räder zusammen und wickelt ein Seil mehrmals um sie, erhält man eine kraftvolle Hebemaschine, die man Riemenscheibe nennt. Jedes Mal, wenn das Seil um die Räder gewickelt wird, entsteht mehr Hubkraft oder ein mechanischer Vorteil. Wenn vier Räder vorhanden sind und das Seil um sie gewickelt wird, funktioniert der Flaschenzug so, als würden vier Seile die Last tragen. So kann man viermal so viel heben, obwohl der Haken ist, dass man das Seil viermal weiter ziehen muss.

Rampen und Keile

Kunstwerke: Der Kopf einer Axt wirkt wie eine Rampe. Wenn sie in Holz einschlägt, spaltet sich das Holz entlang der Diagonale. Das bedeutet, dass man das Holz schneiden kann, indem man eine kleinere Kraft über eine größere Distanz aufbringt. Wenn man einen Baumstamm mit bloßen Händen auseinanderziehen wollte, müsste man eine viel größere Kraft aufwenden (allerdings über eine viel kürzere Strecke).

Wer schon einmal geholfen hat, ein Boot aus dem Meer zu ziehen, weiß, dass es leichter ist, wenn es am Ufer eine Rampe gibt. Anstatt das Boot senkrecht nach oben zu heben, kann man es mit viel weniger Kraft aus dem Meer ziehen, wenn man die Rampe hochgeht. Du brauchst zwar weniger Kraft, musst das Boot aber über eine längere Strecke ziehen – du verbrauchst also in jedem Fall die gleiche Menge an Energie. Bergwanderer nutzen manchmal die Idee einer Rampe, um den Gipfel eines steilen Anstiegs zu erreichen. Indem sie sich im Zickzackkurs von einer Seite zur anderen bewegen, schaffen sie ihre eigene Rampe. Der Hügel wird weniger steil, aber sie müssen ein ganzes Stück weiter gehen, um den Gipfel zu erreichen.

Rampen werden manchmal auch als schiefe Ebenen oder Keile bezeichnet.Der Kopf einer Axt ist ein Keil, der auf andere Weise funktioniert. Eine Axt drückt das Holz auf zwei Arten auseinander. Der Stiel wirkt wie ein Hebel, der die Kraft vergrößert, die man aufbringt. Die keilförmige Klinge konzentriert die Kraft auf eine kleinere Fläche, wodurch der Druck auf das Holz erhöht und es gespalten wird. Die Klinge eines Messers funktioniert auf die gleiche Weise.

Schrauben

Foto: Das Spiralgewinde einer Schraube bedeutet, dass es länger dauert, sie in Holz einzudrehen, aber – zumindest theoretisch – braucht man weniger Kraftaufwand. Die Rillen helfen der Schraube auch, an Ort und Stelle zu bleiben.

Eine Schraube beißt sich ins Holz, wenn man sie dreht. In wissenschaftlichen Büchern liest man oft, dass eine Schraube „wie eine kreisförmig gewickelte Rampe“ ist, was ziemlich verwirrend und schwer zu verstehen ist. Aber stell dir vor, du bist eine Ameise und willst von der Unterseite einer Schraube zur Oberseite klettern. Wenn du senkrecht an der Außenseite hochkletterst, legst du eine relativ kurze Strecke zurück, aber es kostet dich unheimlich viel Kletterkraft. Wenn man das Gewinde der Schraube hinaufgeht und sich dabei immer weiter dreht, geht man in Wirklichkeit eine Art Wendeltreppe hinauf – eine Rampe, die sich im Kreis dreht. Ja, man geht viel weiter, aber es ist viel einfacher. Eine Schraube hat noch einen weiteren Vorteil: Da der Kopf größer ist als der darunter liegende Schaft, funktioniert eine Schraube wie ein Rad (oder ein Hebel): Bei jeder Drehung des Kopfes drückt sich die darunter liegende Spitze mit größerer Kraft in das Holz. Die konische Form erleichtert das Eindrehen der Schraube.

Maschinen sind überall um uns herum!

Das ist so ziemlich alles, was die Wissenschaft von den einfachen Maschinen ausmacht.Sobald man versteht, wie Maschinen funktionieren, sieht man sie überall. Sogar dein Körper ist voll von Maschinen. Dein Skelett zum Beispiel ist eine Ansammlung von Hebeln! Sieh dich zu Hause um und schau, wie viele weitere „einfache Maschinen“ du entdecken kannst. Du wirst erstaunt sein, wie viele es sind!

Gibt es einen Haken?

Heben, Schneiden, Hacken, Bewegen, Biegen – Maschinen wie die, die wir oben erkundet haben, machen es einfacher, alle möglichen Dinge zu tun, indem sie Kräfte erzeugen, die größer sind als die, die du normalerweise mit deinem eigenen Körper erzeugen kannst. Auf den ersten Blick klingt das so, als könnte man eine Maschine entwickeln, die uns etwas für nichts gibt – vielleicht eine, die Energie aus dem Nichts erzeugt, oder ein Perpetuum mobile, das ewig läuft.

In der Praxis sind die Gesetze der Physik streng, und wenn man sich das Leben auf eine Weise erleichtert, macht man es zum Ausgleich auf eine andere Weise schwerer. Das ist die Art der Wissenschaftler zu sagen, dass es so etwas wie ein kostenloses Mittagessen nicht gibt, und in der Physik heißt das Gesetz der Erhaltung der Energie (einfach ausgedrückt: Wir können Energie nicht auf magische Weise aus dem Nichts erscheinen lassen). Wenn Sie also eine Maschine haben, die Ihnen mehr Kraft gibt, gibt sie Ihnen keine zusätzliche Energie, die Sie vorher nicht hatten.Mit einem Flaschenzug zum Beispiel geben Ihnen Seile und Räder viel mehr Hebekraft, aber Sie müssen sie viel weiter heben, also verbrauchen Sie genau die gleiche Menge an Energie, die Sie vorher gehabt hätten. Man setzt sie nur langsamer und mit weniger Kraftaufwand ein, so dass sich das Heben leichter anfühlt. Auf die gleiche Weise können Sie eine Wippe benutzen, um einen viel schwereren Freund zu heben, indem Sie weiter vom Gleichgewichtspunkt entfernt sitzen als er, aber Sie müssen Ihre Beine viel weiter bewegen, um das auszugleichen. Man erhält zusätzliche Kraft, aber keine zusätzliche Energie – und das ist der Haken.

Kunstwerke: Mit einer Wippe kann man zusätzliche Hebekraft erzeugen. Die kleine rote Person kann die große blaue Person anheben, indem sie weiter vom Drehpunkt entfernt sitzt. Das bedeutet, dass sie eine größere Kraft aufbringen kann, aber der Haken ist, dass sie ihren eigenen Körper über eine viel größere Distanz bewegen muss. Diese Maschine erzeugt mehr Kraft, aber nicht mehr Energie.