Kraftwandler Seil und Rolle

Hallo! In diesem Video lernt Ihr einen Kraftwandler kennen, den Flaschenzug. Versetzen wir uns dazu mal ins alte Rom. Dort bauten die Römer, noch vor der Zeit Christus, riesige Arenen. Dazu wurden große Mauern und hohe Säulen gebaut. Nach und nach wurde jeder Stein dort hinaufgetragen. Doch wie soll dieser kleine Römer, diesen großen Stein von vielleicht 1000 Newton dort hochhieven? Ein echtes Problem. Wie sich die Römer geholfen haben, betrachten wir jetzt mal im Einzelnen. Es gibt nämlich sogenannte Kraftwandler. Die Kraft wird dabei nicht in eine andere umgewandelt, zum Beispiel von mechanischer Kraft in magnetische Kraft, sondern sie wird übertragen, zum Beispiel zu einem anderen Ort. Dadurch ist die Kraft dann meist leichter zu bewältigen. Ich möchte Euch nun 2 Kraftwandler vorstellen. Als Erstes, das Seil. Dazu lernen wir Otto kennen. Der möchte gerne mit seinem Hund Flippo Gassi gehen. Flippo zieht aber mit einer Kraft F, nach vorne. Es wäre nun sehr unbequem für Otto, Flippo direkt am Halsband festzuhalten. Deswegen benutzt er ein Seil. Er kann nun also mit seiner Zugkraft Flippo bequem zurückhalten. Also, das Seil bewirkt im Fall von Otto, eine Veränderung der Richtung und des Angriffspunktes der Kraft. Der befindet sich nämlich jetzt nicht mehr direkt an Flippos Halsband, sondern in Ottos Hand. Nun kommt der zweite Kraftwandler: die Rolle. Dieses Mal befindet sich Otto in einem Korb. Er möchte nach oben gezogen werden. Dazu wird eine Kraft F benötigt. Es ist aber ziemlich schwer, einen erwachsenen Menschen einfach so hochzuheben. Deswegen benutzen wir eine Spezialeinrichtung. An der Decke ist eine Rolle befestigt. Otto wurde an ein Seil geknotet, welches über die Rolle wieder nach unten geht. Daran können wir nun Otto hochziehen. Leider nur Otto, ohne den Korb. Es ist einfacher für uns nach unten zu ziehen, als nach oben, weil wir unser ganzes Gewicht einsetzen können. Also, auch die Rolle bewirkt eine Veränderung der Richtung, denn wir ziehen ja nicht mehr nach oben, sondern nach unten, und des Angriffspunktes der Kraft. Also noch mal, Kraftwandler erleichtern den Kraftaufwand. Jedoch, sie verändern nicht den Betrag der Kraft. Schade. Aber da gab es doch eine geniale Erfindung: der Flaschenzug. Der Grieche Archimedes gilt als sein Erfinder. Er lebte schon um 250 vor Christus. Der Flaschenzug ist eine Kombination aus mehreren Rollen und einem Seil. In der Technik wird er als eine einfache Maschine bezeichnet. Ich habe hier schon mal einen Flaschenzug an die Decke gehängt. Er besteht aus 2 Rollen. Die Obere bezeichnet man als eine feste und die untere als eine lose Rolle. Und warum heißt das eigentlich Flaschenzug? Hat man damit Flaschen hochgezogen? Nein. Das war mal die Bezeichnung für die Befestigung der Rollen. Wir haben also 2 Flaschen in unserem Flaschenzug. Ja, und was bringt das jetzt? Zunächst verändert die Einrichtung auch wieder nur die Richtung und den Angriffspunkt der aufzubringenden Kraft. So, wie vorher auch schon. Aber schauen wir mal. Nehmen wir mal an, der Klebestift zieht mit einer Kraft FL von 2 Newton nach unten. Dann verteilt sich diese Last auf die beiden Seile. An jedem Seil hängt also nur noch die halbe Kraft. Also FL durch 2. Ziehen wir nun mit unserer Zugkraft FZ an dem Seil müssen wir auch nur die halbe Kraft aufbringen, denn obwohl ja eigentlich das ganze Gewicht auf dem einen Seil lastet, lastet auf dem linken Teil des Seils, an dem wir ja ziehen, nur die Hälfte. Also wir haben gesehen, dass die Kraft des Gewichtes aufgeteilt wird, auf die beiden Seile. 2 Seile bedeutet beim Flaschenzug aber auch 2 Rollen. Das heißt, bei 2 Rollen wird die Kraft halbiert. Allgemein kann man dann sagen, FZ, also die Zugkraft, ist das Gleiche wie FL, also die Lastkraft geteilt durch n, die Anzahl der Rollen. Na, das ist ja toll! So einfach muss man weniger Kraft tragen. Aber vielleicht hast Du schon mal etwas von der goldenen Regel der Mechanik gehört. Die tritt nämlich hier in Kraft. Die besagt nämlich, dass die aufzubringende Kraft F umgekehrt proportional ist, zu dem zurückzulegenden Weg S. Das heißt konkret, weniger Kraft, aber dafür mehr Weg. Und was heißt das nun bei unserem Flaschenzug? Ich markiere hier oben mal das Seil. Wir wollen den Klebestift nun um diese Höhe h anheben. So, Ihr seht, um ihn um diese Höhe anzuheben, mussten wir die doppelte Strecke am Seil ziehen. Die Kraft hat sich zwar verringert, dafür müssen wir aber länger ziehen. Auch das hat etwas mit der Anzahl der Rollen zu tun. Denn je mehr Rollen, umso geringer ist ja die Kraft, und desto länger müssen wir am Seil ziehen. Also gilt, S, für die Strecke des Seiles, ist gleich n, die Anzahl der Rollen mal h, die Höhe. Kehren wir nun zurück ins alte Rom. Auch die Römer kannten bereits den Flaschenzug. Sie benutzen Kräne, um die Steine zu heben. Hier habe ich mal einen Flaschenzug mit 4 Rollen gezeichnet. Hier ist die Kraft FL, also 1000 Newton, die des Steines. Und hier ist FZ, die Zugkraft des Römers. Also gilt, FZ ist gleich FL durch 4, wegen der 4 Rollen und das ist gleich 1000 Newton geteilt durch 4, das ergibt dann 250 Newton. Das heißt, der Römer muss nur noch ungefähr 25 kg heben. Das ist nicht mehr so viel. Dafür muss er einen längeren Weg zurücklegen. Wenn er den Stein um 10 m heben will, bedeutet das für den Weg S gleich 4 mal 10 m. Das sind 40 m. So, genug mit den Römern. Zurück zu unserer Konstruktion. Übrigens, um 1860 gab es bei den Flaschenzügen noch mal eine wahnsinnige Effizienzsteigerung. Heutzutage können Kräne mit nur 1 kg Kraftaufwand 1 t, das sind 1000 kg anheben. Wahnsinn! So, das ist das Ende meines Videos. Ich hoffe es hat Euch Spaß gemacht.