Warum bezeichnet man Hebel als Kraftwandler
Mithilfe eines Hebels, egal in welcher Form, lässt sich etwas Größeres (Schwereres) mit geringem Aufwand (kleiner Kraft) bewegen. Die Hebelwirkung verstärkt also die aufzuwendenden Kräfte, weshalb man Hebel als Kraftwandler versteht.
Inhalt
Die Kraftwandlung beim Hebel
Es gibt diverse Arten von Hebeln. Allen gemeinsam ist ein Drehpunkt. Bei einer klassischen Waage oder Wippe ist er in der Mitte. Er kann aber durchaus auch mehr zu einer Seite hin verlagert sein oder sich nur auf einem Abschnitt befinden. Der Hebel bzw. die Ausübung eines Drucks bewirkt die Umwandlung der aufgewendeten Kraft auf das zu bewegende Objekt.
Natürlich können auf einer Strecke auch mehrere Kräfte oder Lasten wirken. Um ein Gleichgewicht zu erzeugen, muss entsprechend auf dem anderen Teil eine größere Kraft oder ein längerer Hebel angesetzt werden. Mit einem längeren Hebel auf der einen Seite ist es somit möglich, z. B. ein schwereres Gewicht auf der anderen Hälfte anzuheben. Durch dieses Verfahren haben schon die alten Ägypter tonnenschwere Steinquader für den Bau der Pyramiden bewegt (und dann mittels schiefer Ebene transportiert).
Physikalischer Hintergrund
Die Kräfte, die auf eine Hebelkonstruktion wirken, lassen sich einfach bestimmen. Wenn man mit „F“ die Kraft bzw. Last oder Gewicht und mit „D“ den jeweiligen Abstand zum Drehpunkt bezeichnet, so sind mit folgender Formel (Hebelgesetz) die Kräfte zu berechnen: F1 • D1 = F2 • D2, wobei der Index (1 und 2) die linke bzw. rechte Seite vom Angelpunkt bedeutet. Diese Produkte werden auch (links- und rechtsdrehendes) Drehmoment („M“) genannt.
Damit die Waage, also der Hebel in der Balance ist, müssen die beiden Drehmomente gleich sein. Umgangssprachlich formuliert: Kraft mal Kraftarm = Last mal Lastarm.
Sollten die Kräfte nicht senkrecht wirken, so muss der Winkel α in die Berechnung mit einbezogen werden. Es gilt dann für das Drehmoment: M = F • D • sin(α). Die physikalische Einheit ist das Newtonmeter (Nm). Die Hebelgesetze wurden bereits in der Antike vom großen Mathematiker und Physiker Archimedes beschrieben.
Im Alltag
Täglich begegnen uns Hebel in den unterschiedlichsten Formen. Hier ein paar bekannte Beispiele zur Veranschaulichung:
Wippe auf dem Spielplatz
Der Klassiker! Mit einer Wippe, die den zweiseitigen Hebeln zugeordnet wird, lässt sich die Hebelwirkung auf eindrucksvolle Weise veranschaulichen. Zwei Kinder sitzen im gleichen Abstand vom Mittelpunkt (Zentrum). Wenn nun ein Kind schwerer als das andere ist, dann drückt es das andere aufgrund seines Gewichts immer nach oben. Ausgleichen kann man das, indem das schwerere Kind näher an den Drehpunkt rückt oder das leichtere weiter auf seiner Seite ans Ende der Wippe.
Nussknacker
Der zangenartige Nussknacker gehört zur Kategorie der einseitigen Doppelhebel. Dadurch können auch hartnäckige Nüsse mit relative geringem Aufwand aufgebrochen werden, was per Hand fast unmöglich ist.
Balkenwaage (Apothekerwaage)
Die Waagschalen sind symmetrisch in gleichem Abstand vom Drehpunkt aufgehängt. Um etwas zu wiegen, legt man das Objekt in die eine Schale, die Gegengewichte in die andere. Sind beide Drehmomente (siehe oben) gleich, so befindet sich die Waage sprichwörtlich „in der Waage“.
Einige weitere Hebel-Beispiele
Schere, Brechstange, Zange, Schrauben- und Drehmomentschlüssel (einseitiger Hebel), Flaschenöffner, Bahnschranke, Flaschenzug, Schubkarre (hier sind Kraft und Last auf der gleichen Seite des Drehpunktes).
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