Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

Damit können wir das Hebelgesetz begründen – als Kinder haben wir es an der Wippe kennengelernt. Die erste Formulierung stammt vom griechischen Gelehrten A RCHIMEDES (ca. 287 – 212 v. Chr.). Das Hebelgesetz Kraft mal Kraftarm = Last mal Lastarm Als Hebel bezeichnet man starre Körper, die sich um eine feste Achse drehen kön- nen. Viele Werkzeuge, Maschinen und Sportgeräte sind oder enthalten Hebel. Auch menschliche Gliedmaßen sind Hebel ( 19.1 ). Die Kombination aus einer Welle und einem Rad zum Drehen, das sog. Wellrad ( 19.2), stellt einen Hebel dar. An seinen zwei Armen greifen in unterschiedlichen Abständen verschieden große Kräfte an. (Üblicherweise wird eine der Kräfte als Last bezeichnet.) Gleichgewicht am Hebel besteht, wenn die Drehmomente entge- gengesetzt gleich sind. Mittels Hebel lassen sich Kräfte transformieren. So wird es möglich, mit einer kleinen Kraft eine große Last zu heben. Untersuche, überlege, forsche: Hebel am Fahrrad 19.1 W 1 a) Man unterscheidet ein- und zweiarmige Hebel. Suche nach Hebeln bei ver- schiedenen Werkzeugen und erkläre, wie sie funktionieren. W 1 b) Finde Hebel an einem Fahrrad, beschreibe ihre Funktion. Wie funktioniert das Kettengetriebe? E 2 c) Mit welcher Kraft wirkt das Hinterrad horizontal auf die Straße, wenn du mit deinem ganzen Gewicht auf ein Pedal trittst? Gleichgewicht von Drehmomenten und der Schwerpunkt Untersuche, überlege, forsche: Die Kunst des Balancierens 19.2 E 2 Balanciere einen starren Körper, z. B. ein Lineal, auf einem Finger, so dass er nicht vom Finger fällt. Beschreibe und erkläre deine Beobachtungen unter Berück- sichtigung des Begriffs Drehmoment. Der Schwerpunkt S eines starren Körpers ist folgendermaßen definiert: Für jede beliebige Lage des Körpers und jede Achse durch den Schwerpunkt S befindet sich der Körper im Gleichgewicht. Das Gewicht der einzelnen Teile des Körpers verursacht Drehmomente, die einander kompensieren, wenn die Drehachse durch den Schwerpunkt geht. Da der Körper bei einer Achse durch S in jeder Orientierung im Gleichgewicht ist, spricht man von indifferentem Gleichgewicht ( 19.3 ). Verschiebt man die Drehachse so, dass der Schwerpunkt lotrecht unter ihr ist, dann befindet sich der Körper in einem stabilen Gleichgewicht : Wenn er aus die- ser Lage geringfügig gedreht wird, entsteht ein rücktreibendes Drehmoment. Befindet sich der Schwerpunkt lotrecht über der Drehachse, ist der Körper im labi- len Gleichgewicht . Jede Störung des Gleichgewichts kann zum Umfallen des Kör- pers führen, wenn nicht schnell reagiert wird: Das Stehen und Gehen auf zwei Beinen mussten wir als Kleinkinder mühsam lernen! Drehachse A = S Drehachse A S A S Drehachse Im stabilen Gleichgewicht liegt der genau senkrecht unter der Drehachse. Schwerpunkt Im indifferenten Gleich- gewicht liegt die Dreh- achse im Schwerpunkt. Im labilen Gleichgewicht liegt der genau senkrecht über der Drehachse. Schwerpunkt Stabiles Gleichgewicht Indifferentes Gleichgewicht Labiles Gleichgewicht 19.3 Arten des Gleichgewichts 19.1 Der Unterarm als einarmiger Hebel. Welche Kraft muss der Bizeps aufbringen, um die Last in der Hand zu halten? (Schätze die Längen von Kraft- und Lastarm!) Rad Walze A B O R r F F G OA ... Kraftarm OB ... Lastarm 19.2 a) Dieses Rad mit einer dicken Welle, ein sog. Wellrad, erleichtert das Wasserheben aus Brunnenschächten. b) Kraft und Last grei- fen in unterschiedlichem Abstand zur Drehach- se an. Wann herrscht Gleichgewicht? a) b) 19 | MECHANIK 2 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv