Big Bang 2, Schulbuch

61 8.1 Die Goldene Regel der Mechanik Cheops-Pyramide Von Arbeit spricht man in der Physik immer dann, wenn Energie von einer Form in eine andere umge­ wandelt wird . In der Mechanik speziell gilt: Arbeit ist Kraft mal Weg (siehe Kap. 6.4 ). Nimm an, das Fass in A4 hat eine Masse von 10 kg und somit eine Gewichts­ kraft von 100N . Wenn du es senkrecht in die Höhe hebst, musst du eine Arbeit von 100N · 1m = 100 J aufwenden ( B 8.5 b ). Wenn du das Fass eine 2m lange Rampe hinaufrollst, beträgt die zu überwindende Kraft nur 50N ( a ). Die Hebearbeit ist mit 50N · 2m = 100 J aber dieselbe! Die „Goldene Regel“ beim Aufladen eines Fässchens B 8.5 Als erwiesen gilt, dass schiefe Ebenen bereits beim Bau der Pyramiden verwendet wurden ( B 8.6 ), die Details sind jedoch umstritten. Natürlich war es immer noch eine Mordsarbeit – aber immerhin leichter als ohne Rampe. a) Eine Möglichkeit, wie die Rampe ausgesehen haben könnte. b) Zusätzlich wurde wahrscheinlich mit Rollreibung gearbeitet (siehe B 5.18 , S. 40 ). B 8.6 Eine Bergstraße ist gewissermaßen eine geschlängel- te Rampe ( A1 ). Dadurch wird der Weg länger und die aufzuwendende Kraft nach der Goldenen Regel gerin- ger. Vorrichtungen, durch die man Größe oder Rich- tung einer Kraft verändern kann, nennt man in der Physik „einfache Maschinen“. Eine schiefe Ebene ist daher auch eine einfache Maschine . Im Alltag würdest du eine Rampe wohl nicht so nennen – das sind eben die Fachbegriffe der Physik! Ein bisschen mehr nach Maschine sehen die Vorrich- tungen B 8.7 aus. Im Fall a wird keine Kraft gespart, aber durch die Rolle deren Richtung umgelenkt . Des- halb geht auch das als einfache Maschine durch. In b und c siehst du so genannte Flaschenzüge . Der Name kommt daher, dass früher statt der Rollen flaschen­ förmige Holzstücke verwendet wurden. Bei Flaschen- zügen gibt es immer frei bewegliche, lose Rollen . Da- durch geht das Seil ein paarmal hin und her, und du kannst damit Kraft sparen . a) Eine Umlenkrolle; b) und c) Flaschenzüge, durch die man Kraft auf Kosten des Weges sparen kann. Fall c entspricht B 8.4 . B 8.7 Sehen wir uns das im Fall c genauer an. Wenn du die Schnur rechts 40 cm hinunterziehst, muss sie links von der Umlenkrolle natürlich 40 cm kürzer werden. Weil die Schnur vierfach nebeneinander liegt , verkürzt sich jedes dieser Stücke nur um 10 cm. Damit du das Ge- wicht um ein bestimmtes Stück hinaufziehen kannst, musst du also immer viermal so viel Seil einholen . Dafür sinkt umgekehrt die aufzuwendende Kraft auf ein Viertel ab . Deshalb hilft ein Flaschenzug Kraft zu sparen, wie das auch beim Aufzug in A5 der Fall ist. Beispielhafte Darstellung der Übersetzungsverhältnisse bei zwei verschiedenen Gängen B 8.8 Auch bei den Gängen eines Fahrrades wird mit Weg und Kraft gespielt ( A2 ). Wenn du eben oder bergab un- terwegs bist, nimmst du einen hohen Gang mit einem kleinen Zahnrad hinten ( B 8.8 a ). In unserem Beispiel kommst du pro Pedalumdrehung 8m weit. Wenn es bergauf geht, schaltest du auf einen niedrigen Gang Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv