Kl. 8

Hebel, Drehmoment und Flaschenzug

„Gebt mir einen festen Punkt, und ich hebe die Welt aus den Angeln“ – das soll Archimedes über den Hebel gesagt haben. Mit Hebeln, Rollen und Flaschenzügen lässt sich Kraft sparen. Ganz umsonst ist das aber nicht.

Das Hebelgesetz

Ein Hebel ist ein starrer Körper, der sich um eine Achse (den Drehpunkt) drehen kann. Der Abstand vom Drehpunkt zur Wirkungslinie einer Kraft heißt Hebelarm (oder Kraftarm bzw. Lastarm).

Lastarm a₁Kraftarm a₂F₁ (Last)F₂Drehpunkt
Zweiseitiger Hebel: Drehpunkt zwischen Last und Kraft

F1 · a1 = F2 · a2 Hebelgesetz: Gleichgewicht, wenn Kraft mal Kraftarm auf beiden Seiten gleich ist

Das Produkt aus Kraft und Hebelarm heißt Drehmoment M = F · a, Einheit Newtonmeter (N · m). Der Hebel ist im Gleichgewicht, wenn die Drehmomente links und rechts gleich groß sind.

Beispiel: Wippe

Tim (300 N) sitzt 1,5 m vom Drehpunkt entfernt. Wo muss Paula (450 N) sitzen, damit die Wippe im Gleichgewicht ist?
300 N · 1,5 m = 450 N · a2  ⇒  a2 = 450 N·m / 450 N = 1 m. Die Schwerere sitzt näher am Drehpunkt.

Einseitiger und zweiseitiger Hebel

  • Zweiseitiger Hebel: Der Drehpunkt liegt zwischen Kraft und Last – Wippe, Schere, Zange, Brechstange.
  • Einseitiger Hebel: Kraft und Last greifen auf derselben Seite an – Schubkarre, Nussknacker, Flaschenöffner, auch Dein Unterarm.

Merke

Je länger der Kraftarm im Vergleich zum Lastarm, desto weniger Kraft brauchst Du. Deshalb hält man eine Schere zum Schneiden von Pappe nahe am Gelenk und greift die Griffe ganz außen.

Rollen und Flaschenzug

Eine feste Rolle ändert nur die Richtung der Kraft – man zieht nach unten, die Last geht nach oben. Eine lose Rolle hängt an zwei Seilstücken, die sich die Last teilen: Man braucht nur die halbe Kraft. Ein Flaschenzug kombiniert mehrere Rollen:

F = FG / n n = Anzahl der tragenden Seilstücke (ohne Reibung und Rollengewicht)

Die goldene Regel der Mechanik

Was man an Kraft spart, muss man an Weg zusetzen. Beim Flaschenzug mit 4 tragenden Seilen brauchst Du nur ein Viertel der Kraft, musst aber viermal so viel Seil ziehen. Das Produkt aus Kraft und Weg – die Arbeit – bleibt gleich (ohne Reibung).

Typischer Fehler

Den Hebelarm falsch messen. Er ist der Abstand vom Drehpunkt bis zum Angriffspunkt der Kraft, wenn sie senkrecht zum Hebel wirkt – nicht die Länge des ganzen Hebels.

Teste Dich selbst

1. An einem Hebel hängt links 20 N im Abstand 30 cm. Welche Kraft brauchst Du rechts im Abstand 60 cm?
Lösung anzeigen

Richtig: 10 N. 20 N · 30 cm = F · 60 cm ⇒ F = 10 N. Doppelter Arm – halbe Kraft.

2. Welches Werkzeug ist ein einseitiger Hebel?
Lösung anzeigen

Richtig: Schubkarre. Bei der Schubkarre liegt der Drehpunkt am Rad, Last und Kraft greifen auf derselben Seite an.

3. Ein Flaschenzug hat 4 tragende Seilstücke. Du hebst die Last um 1 m. Wie viel Seil ziehst Du?
Lösung anzeigen

Richtig: 4 m. Goldene Regel: ein Viertel der Kraft, aber der vierfache Weg.

Weiterlesen: Hebel (Physik), Flaschenzug bei Wikipedia