Im Laufe der Geschichte haben die Menschen verschiedene Geräte entwickelt, um die Arbeit zu erleichtern. Die bekanntesten von ihnen sind als die „sechs einfachen Maschinen“ bekannt: das Rad und die Achse, der Hebel, die schiefe Ebene, die Riemenscheibe, die Schraube und der Keil, obwohl die letzten drei eigentlich nur Erweiterungen oder Kombinationen der ersten drei sind.
Da Arbeit als Kraft definiert ist, die auf ein Objekt in Bewegungsrichtung wirkt, erleichtert eine Maschine die Arbeit, indem sie eine oder mehrere der folgenden Funktionen erfüllt, so das Jefferson Lab:
- Übertragung einer Kraft von einem Ort zu einem anderen,
- Änderung der Richtung einer Kraft,
- Vergrößerung der Größe einer Kraft oder
- Vergrößerung der Entfernung oder Geschwindigkeit einer Kraft.
Einfache Maschinen sind Geräte ohne oder mit sehr wenigen beweglichen Teilen, die die Arbeit erleichtern. Viele der heutigen komplexen Werkzeuge sind nur Kombinationen oder kompliziertere Formen der sechs einfachen Maschinen, so die University of Colorado in Boulder. So können wir beispielsweise einen langen Griff an einer Welle befestigen, um eine Winde zu bauen, oder einen Flaschenzug verwenden, um eine Last eine Rampe hinaufzuziehen. Auch wenn diese Maschinen einfach erscheinen, ermöglichen sie uns doch viele Dinge, die wir ohne sie nie tun könnten.
Rad und Achse
Das Rad gilt als eine der bedeutendsten Erfindungen der Weltgeschichte. „Vor der Erfindung des Rades im Jahr 3500 v. Chr. waren die Menschen stark eingeschränkt, was den Transport von Gütern auf dem Landweg und die Entfernung anging“, schreibt Natalie Wolchover in dem Live Science-Artikel „Top 10 Inventions that Changed the World“. „Radkarren erleichterten die Landwirtschaft und den Handel, indem sie den Transport von Waren zu und von den Märkten ermöglichten und den Menschen das Reisen über große Entfernungen erleichterten.“
Das Rad reduziert die Reibung, die auftritt, wenn ein Objekt über eine Oberfläche bewegt wird, erheblich. „Wenn Sie Ihren Aktenschrank auf einen kleinen Wagen mit Rädern stellen, können Sie die Kraft, die Sie aufwenden müssen, um den Schrank mit konstanter Geschwindigkeit zu bewegen, erheblich verringern“, so die Universität von Tennessee.
In seinem Buch „Ancient Science: Prehistory-A.D. 500“ (Gareth Stevens, 2010) schreibt Charlie Samuels: „In Teilen der Welt wurden schwere Gegenstände wie Felsen und Boote mit Hilfe von Holzrollen bewegt. Während sich das Objekt vorwärts bewegte, wurden die Rollen von hinten genommen und vorne wieder eingesetzt.“ Dies war der erste Schritt in der Entwicklung des Rades.
Die große Innovation war jedoch die Montage eines Rades auf einer Achse. Das Rad konnte an einer Achse befestigt werden, die durch ein Lager gestützt wurde, oder es konnte frei um die Achse gedreht werden. Dies führte zur Entwicklung von Karren, Waggons und Streitwagen. Laut Samuels verwenden Archäologen die Entwicklung eines Rades, das sich auf einer Achse dreht, als Indikator für eine relativ fortgeschrittene Zivilisation. Die frühesten Belege für Räder auf Achsen stammen aus der Zeit um 3200 v. Chr. von den Sumerern. Die Chinesen erfanden das Rad unabhängig davon 2800 v. Chr.
Kraftvervielfältiger
Neben der Verringerung der Reibung können ein Rad und eine Achse auch als Kraftvervielfältiger dienen, so Science Quest von Wiley. Wenn ein Rad an einer Achse befestigt ist und eine Kraft verwendet wird, um das Rad zu drehen, ist die Rotationskraft oder das Drehmoment auf der Achse viel größer als die Kraft, die auf die Felge des Rades wirkt. Alternativ kann auch ein langer Griff an der Achse befestigt werden, um einen ähnlichen Effekt zu erzielen.
Die anderen fünf Maschinen helfen dem Menschen, die auf ein Objekt ausgeübte Kraft zu erhöhen und/oder umzulenken. In ihrem Buch „Moving Big Things“ (It’s about time, 2009) schreiben Janet L. Kolodner und ihre Co-Autoren: „Maschinen bieten einen mechanischen Vorteil, um Objekte zu bewegen. Der mechanische Vorteil ist der Kompromiss zwischen Kraft und Entfernung.“ In der folgenden Erörterung der einfachen Maschinen, die die auf ihren Eingang ausgeübte Kraft erhöhen, werden wir die Reibungskraft vernachlässigen, da in den meisten dieser Fälle die Reibungskraft im Vergleich zu den beteiligten Eingangs- und Ausgangskräften sehr klein ist.
Wenn eine Kraft über eine Strecke ausgeübt wird, erzeugt sie Arbeit. Mathematisch wird dies als W = F × D ausgedrückt. Um zum Beispiel einen Gegenstand anzuheben, müssen wir Arbeit leisten, um die Schwerkraft zu überwinden und den Gegenstand nach oben zu bewegen. Um ein doppelt so schweres Objekt zu heben, ist doppelt so viel Arbeit erforderlich, um es über die gleiche Entfernung zu bewegen. Es ist auch doppelt so viel Arbeit erforderlich, um denselben Gegenstand doppelt so weit zu heben. Wie aus der Mathematik hervorgeht, besteht der Hauptvorteil von Maschinen darin, dass sie es uns ermöglichen, die gleiche Menge an Arbeit zu verrichten, indem wir eine geringere Menge an Kraft über eine größere Entfernung aufbringen.
Hebel
„Gebt mir einen Hebel und einen Platz zum Stehen, und ich werde die Welt bewegen.“ Diese prahlerische Aussage wird dem griechischen Philosophen, Mathematiker und Erfinder Archimedes aus dem dritten Jahrhundert zugeschrieben. Jahrhundert, dem griechischen Philosophen, Mathematiker und Erfinder Archimedes, zugeschrieben. Sie mag zwar etwas übertrieben sein, bringt aber die Kraft der Hebelwirkung zum Ausdruck, die zumindest im übertragenen Sinne die Welt bewegt.
Das Genie des Archimedes bestand darin, dass er erkannte, dass man mit Hilfe eines Hebels einen Kompromiss zwischen Kraft und Entfernung eingehen kann, um die gleiche Arbeit zu leisten. Sein Hebelgesetz besagt: „Größen befinden sich im Gleichgewicht bei Entfernungen, die reziprok proportional zu ihren Gewichten sind“, so „Archimedes in the 21st Century“, ein virtuelles Buch von Chris Rorres an der New York University.
Der Hebel besteht aus einem langen Balken und einem Drehpunkt oder Angelpunkt. Der mechanische Vorteil des Hebels hängt vom Verhältnis der Längen der Balken auf beiden Seiten des Drehpunkts ab.
Angenommen, wir wollen ein Gewicht von 45 kg (100 Pfund) 61 cm (2 Fuß) vom Boden anheben. Wir können eine Kraft von 100 Pfund (45 Kilogramm) auf das Gewicht in Richtung nach oben über eine Strecke von 1,5 m ausüben, und wir haben eine Arbeit von 271 Newtonmeter (200 pound-feet) geleistet. Wenn wir jedoch einen 9 m (30 Fuß) langen Hebel verwenden, bei dem ein Ende unter dem Gewicht liegt und ein 30,5 cm (1 Fuß) langer Drehpunkt unter dem Balken in 3 m (10 Fuß) Entfernung vom Gewicht platziert ist, müssen wir nur das andere Ende mit 23 kg (50 lbs.) nach unten drücken, um das Gewicht anzuheben. (23 kg) drücken, um das Gewicht anzuheben. Allerdings müssten wir das Ende des Hebels 1,2 m (4 Fuß) nach unten drücken, um das Gewicht 2 Fuß anzuheben. Wir haben einen Kompromiss geschlossen, bei dem wir die Strecke, die wir den Hebel bewegen mussten, verdoppelt haben, aber wir haben die benötigte Kraft um die Hälfte verringert, um die gleiche Arbeit zu verrichten.
Schiefe Ebene
Die schiefe Ebene ist einfach eine flache Oberfläche, die in einem Winkel angehoben wird, wie eine Rampe. Laut Bob Williams, Professor in der Abteilung für Maschinenbau am Russ College of Engineering and Technology an der Ohio University, ist eine schiefe Ebene eine Möglichkeit, eine Last zu heben, die zu schwer wäre, um sie gerade hochzuheben. Der Winkel (die Steilheit der schiefen Ebene) bestimmt, wie viel Kraftaufwand erforderlich ist, um das Gewicht anzuheben. Je steiler die Rampe ist, desto mehr Kraftaufwand ist erforderlich. Das heißt, wenn wir unser 100-Pfund-Gewicht 2 Fuß hochheben, indem wir es eine 4-Fuß-Rampe hinaufrollen, reduzieren wir die benötigte Kraft um die Hälfte und verdoppeln gleichzeitig die Entfernung, die es bewegt werden muss. Wenn wir eine 2,4 m lange Rampe verwenden würden, könnten wir die erforderliche Kraft auf nur 11,3 kg reduzieren. (11,3 kg) reduzieren.
Flaschenzug
Wenn wir das gleiche Gewicht von 100 Pfund mit einem Seil heben wollen, könnten wir einen Flaschenzug an einem Balken über dem Gewicht befestigen. Damit könnten wir am Seil nach unten statt nach oben ziehen, aber es sind immer noch 100 Pfund Kraft erforderlich. Wenn wir jedoch zwei Umlenkrollen verwenden – eine am Balken und die andere am Gewicht – und ein Ende des Seils am Balken befestigen, es durch die Umlenkrolle am Gewicht und dann durch die Umlenkrolle am Balken führen, müssen wir nur mit einer Kraft von 50 Pfund am Seil ziehen, um das Gewicht anzuheben, obwohl wir das Seil drei Meter weit ziehen müssen, um das Gewicht einen Meter anzuheben. Auch hier haben wir eine größere Entfernung gegen eine geringere Kraft getauscht.
Wenn wir noch weniger Kraft für eine noch größere Entfernung aufwenden wollen, können wir einen Flaschenzug verwenden. In den Kursunterlagen der University of South Carolina heißt es: „Ein Flaschenzug ist eine Kombination von Umlenkrollen, die die zum Heben von Gegenständen erforderliche Kraft verringert. Der Nachteil ist, dass für einen Flaschenzug eine größere Seillänge erforderlich ist, um etwas über die gleiche Entfernung zu bewegen.“
So einfach Flaschenzüge auch sind, sie werden immer noch in den fortschrittlichsten neuen Maschinen eingesetzt. Der Hangprinter zum Beispiel, ein 3D-Drucker, der möbelgroße Objekte herstellen kann, verwendet ein System aus Drähten und computergesteuerten Rollen, die an Wänden, Boden und Decke verankert sind.
Schraube
„Eine Schraube ist im Grunde eine lange schiefe Ebene, die um eine Welle gewickelt ist, so dass ihr mechanischer Vorteil auf die gleiche Weise wie die Steigung betrachtet werden kann“, heißt es auf HyperPhysics, einer Website der Georgia State University. Viele Geräte verwenden Schrauben, um eine Kraft auszuüben, die viel größer ist als die Kraft, mit der die Schraube gedreht wird. Zu diesen Geräten gehören Schraubstöcke und Radmuttern an Autoreifen. Sie erhalten einen mechanischen Vorteil nicht nur durch die Schraube selbst, sondern in vielen Fällen auch durch die Hebelwirkung eines langen Griffs, der zum Drehen der Schraube verwendet wird.
Keil
Nach Angaben des New Mexico Institute of Mining and Technology sind „Keile bewegliche schräge Ebenen, die unter Lasten getrieben werden, um sie anzuheben, oder in eine Last getrieben werden, um sie zu teilen oder zu trennen.“ Ein längerer, dünnerer Keil bietet einen größeren mechanischen Vorteil als ein kürzerer, breiterer Keil, aber ein Keil hat noch eine andere Aufgabe: Die Hauptfunktion eines Keils besteht darin, die Richtung der einwirkenden Kraft zu ändern. Wenn wir zum Beispiel einen Baumstamm spalten wollen, können wir mit einem Vorschlaghammer einen Keil mit großer Kraft nach unten in das Ende des Stammes treiben, und der Keil leitet diese Kraft nach außen um, wodurch das Holz gespalten wird. Ein anderes Beispiel ist ein Türstopper, bei dem die Kraft, mit der er unter die Türkante geschoben wird, nach unten übertragen wird, was zu einer Reibungskraft führt, die dem Gleiten über den Boden entgegenwirkt.
Zusätzliche Berichte von Charles Q. Choi, Mitarbeiter von Live Science
Zusätzliche Ressourcen
- John H. Lienhard, emeritierter Professor für Maschinenbau und Geschichte an der Universität von Houston, wirft „einen anderen Blick auf die Erfindung des Rades.“
- Das Center of Science and Industry in Columbus, Ohio, bietet eine interaktive Erklärung einfacher Maschinen.
- HyperPhysics, eine von der Georgia State University erstellte Website, bietet illustrierte Erklärungen zu den sechs einfachen Maschinen.
Im Museum of Science and Industry in Chicago finden Sie einige unterhaltsame Aktivitäten zu einfachen Maschinen.